Che cos’è il titanio?
Il titanio, indicato con il simbolo chimico Ti e il numero atomico 22, è un metallo di transizione brillante, noto per il suo eccezionale rapporto forza-peso, la resistenza alla corrosione e la biocompatibilità. Scoperto alla fine del XVIII secolo, il titanio è diventato indispensabile in diversi settori, tra cui quello aerospaziale, medico, automobilistico e navale.
Quali sono le diverse qualità di titanio per la lavorazione CNC?
Il titanio è un metallo versatile che viene comunemente utilizzato nella lavorazione CNC grazie alle sue caratteristiche uniche. Sono disponibili diversi gradi di titanio, ciascuno con proprietà uniche che lo rendono adatto a una varietà di usi. I gradi di titanio solitamente utilizzati nella lavorazione CNC sono descritti in dettaglio qui di seguito.
Grado 1: titanio commercialmente puro (basso contenuto di ossigeno)
Il titanio di grado 1 è il più morbido e il più duttile, il che lo rende lavorabile. Le applicazioni in ambienti severi richiedono una forte resistenza alla corrosione e agli urti. Questo grado biocompatibile è preferito negli impianti e nelle apparecchiature mediche per la sua sicurezza. I componenti ad alta precisione e stabilità beneficiano del suo basso coefficiente di espansione termica, che riduce le sollecitazioni termiche. La bassa resistenza ne limita l’uso in applicazioni ad alte sollecitazioni rispetto ad altri gradi.
Grado 2: Titanio commercialmente puro (contenuto di ossigeno standard)
Il grado 2, talvolta noto come titanio “cavallo di battaglia”, è forte, duttile e resistente alla corrosione. Con una buona lavorabilità e saldabilità, è più forte del grado 1. È adatto per componenti aerospaziali, attrezzature per il trattamento chimico e ambienti marittimi. È adatto ai componenti aerospaziali, alle attrezzature per il trattamento chimico e agli ambienti marittimi. La sua adattabilità lo rende adatto alle industrie che necessitano di una forza moderata e di una resistenza alla corrosione. Il grado 2 è più debole delle leghe di titanio, nonostante i suoi vantaggi.
Grado 3: Titanio commercialmente puro (medio contenuto di ossigeno)
Il titanio di grado 3 ha una resistenza migliore rispetto ai gradi 1 e 2, ma una minore duttilità e formabilità. Questo grado è utilizzato nelle applicazioni aeronautiche che richiedono una maggiore resistenza senza aumentare il peso, grazie alla sua resistenza alla corrosione. La sua resistenza rende la lavorazione più difficile rispetto ai gradi più morbidi e richiede un controllo attento per evitare l’usura degli utensili.
Grado 4: Titanio commercialmente puro (alto contenuto di ossigeno)
Il grado 4 è il grado di titanio commercialmente puro più resistente, con eccezionali qualità meccaniche e di corrosione. Viene utilizzato nei componenti aeronautici e nelle apparecchiature chirurgiche che richiedono resistenza e longevità. A causa della sua durezza, la lavorazione del titanio di grado 4 richiede attrezzature e processi specializzati per ottenere tolleranze specifiche senza usura degli utensili o deformazione del pezzo.
Grado 5: Lega di titanio (Ti-6Al-4V)
Il titanio di grado 5, Ti-6Al-4V, è una lega di titanio molto diffusa per l’elevato rapporto forza-peso e la resistenza alla corrosione. Questa lega contiene alluminio e vanadio, che ne migliorano le qualità meccaniche rispetto al titanio puro. Viene utilizzata nei settori aerospaziale, militare e automobilistico ad alte prestazioni. La lavorazione del grado 5 è più dura e tende a indurirsi, pertanto è necessario considerare attentamente la velocità di taglio e la scelta degli utensili.
Grado 6: Lega di titanio (Ti-5Al-2,5Sn)
Il titanio di grado 6 è composto da alluminio e stagno, che garantiscono una buona saldabilità e prestazioni ad alta temperatura. Questo grado è spesso utilizzato nelle costruzioni di cellule e motori a reazione, dove la resistenza al calore è fondamentale. Sebbene abbia qualità meccaniche superiori ai gradi di titanio puro, persistono problemi di lavorazione a causa della sua maggiore durezza rispetto ai gradi 1 e 2.
Grado 7: Lega di titanio (Ti-0,15Pd)
Al titanio di grado 7 viene aggiunto il palladio, che lo rende ancora più resistente alla corrosione rispetto ai normali gradi commercialmente puri. Per questo motivo, è particolarmente indicato per le lavorazioni chimiche che richiedono l’esposizione a condizioni difficili. Grazie alle sue speciali proprietà, può essere utilizzato in ambienti marini e nella produzione di clorati. Tuttavia, essendo duro, è difficile da lavorare, proprio come altri gradi di titanio.
Grado 11: Lega di titanio (Ti-0,15Pd)
La lega di titanio di grado 11 è simile al grado 7, ma con una maggiore duttilità, che la rende adatta all’uso in ambienti fortemente corrosivi come l’acqua di mare. Mantiene un’elevata biocompatibilità, fornendo al contempo qualità meccaniche migliorate adatte a una varietà di applicazioni industriali. La lavorazione di questo grado presenta problemi simili a quelli di altre leghe, ma possono essere attenuati con procedure adeguate.
Grado 12: lega di titanio (Ti-0,3Mo-0,8Ni)
La struttura del grado 12 comprende molibdeno e nichel, con conseguente saldabilità e resistenza alla corrosione eccezionali. Questo grado è spesso utilizzato negli scambiatori di calore e nelle applicazioni marittime, grazie alla sua capacità di tollerare ambienti difficili preservando l’integrità strutturale. Pur presentando notevoli vantaggi rispetto ai gradi di titanio puro, la complessità della lavorazione rimane un problema.
Grado 23: Lega di titanio (Ti-6Al-4V ELI)
Il grado 23 è una variante a bassissima interstizialità del grado 5, creata principalmente per applicazioni mediche in cui la biocompatibilità è fondamentale. La sua composizione raffinata garantisce una maggiore tenacità alla frattura, pur mantenendo l’elevata resistenza richiesta per impianti e dispositivi chirurgici. A causa delle sue qualità uniche, la lavorazione di questo grado richiede un’attenzione particolare, ma il risultato finale è costituito da pezzi che soddisfano elevati standard medici.
Perché scegliere il titanio per le parti lavorate con CNC?
La scelta del titanio per la lavorazione dei pezzi CNC offre numerosi vantaggi, che lo rendono uno dei materiali preferiti in diversi settori industriali.
Eccellente rapporto forza-peso
Pur essendo più debole del 5% rispetto all’acciaio, il titanio ha un peso inferiore del 40%. Nelle applicazioni aeronautiche e automobilistiche, dove la riduzione del peso è fondamentale per le prestazioni e l’efficienza, questa caratteristica consente ai produttori di sviluppare componenti leggeri ma resistenti. La capacità di mantenere un’elevata resistenza riducendo al minimo la massa è un fattore determinante nei settori incentrati sulle prestazioni.
Alta resistenza alla corrosione
Il titanio è resistente alla corrosione, soprattutto in situazioni estreme come i processi marini e chimici. Per i componenti che devono tollerare circostanze difficili, il titanio può resistere all’acqua di mare, agli acidi e ad altri agenti corrosivi senza deteriorarsi. Questo allunga la vita dei componenti e riduce le spese di manutenzione.
Biocompatibilità
Gli impianti e i dispositivi medici utilizzano il titanio per la sua biocompatibilità. Le applicazioni chirurgiche, come le protesi articolari e gli impianti dentali, sono sicure perché la sostanza non reagisce con i tessuti umani. Nel settore sanitario, la sua atossicità lo rende più adatto.
Durevolezza e resistenza alla fatica
La resistenza alla fatica e la durata del titanio consentono ai componenti di sopravvivere a carichi ripetuti senza cedimenti. I componenti aerospaziali sono sottoposti a carichi ciclici, il che rende questa qualità fondamentale. I componenti in titanio sono affidabili nelle applicazioni essenziali perché si comportano bene sotto sforzo.
Proprietà non magnetiche
Il titanio è utile anche perché non è magnetico, quindi può essere utilizzato in luoghi in cui i disturbi magnetici potrebbero essere un problema. Questa caratteristica è molto utile negli ambienti medici (come le macchine per la risonanza magnetica) e nei gadget elettronici che devono controllare i campi magnetici.
Lavorabilità e formabilità
Il titanio è difficile da produrre a causa della sua limitata conducibilità termica e della sua propensione all’indurimento, ma la lavorazione CNC lo ha reso più semplice. I produttori possono sfruttare le qualità speciali del titanio utilizzando macchine CNC per tagliare e tollerare geometrie complicate. Utensili da taglio, velocità e sistemi di raffreddamento adeguati possono ridurre l’accumulo di calore durante la lavorazione.
Sostenibilità ambientale
Il titanio è anche estremamente riciclabile, il che ne aumenta l’attrattiva come materiale ecologicamente responsabile. La capacità di riciclare il titanio riduce al minimo gli scarti e aumenta la sostenibilità delle operazioni di produzione.
Sfide da considerare nella lavorazione del titanio
La lavorazione del titanio comporta diversi ostacoli che possono impedire il processo di produzione. La comprensione di questi ostacoli è fondamentale per produrre risultati CNC di alta qualità. Ecco le principali sfide nella lavorazione del titanio.
Accumulo di calore
La limitata conducibilità termica del titanio fa sì che il calore di lavorazione si accumuli all’interfaccia utensile da taglio-pezzo. L’accumulo di calore può accelerare l’usura dell’utensile, ridurne la durata e degradare la qualità della superficie del pezzo lavorato. Il calore può indurire il titanio, rendendolo più difficile da lavorare se non viene trattato correttamente. Per evitare questo problema, utilizzare sistemi di raffreddamento ad alta pressione e ottimizzare le velocità di avanzamento e di mandrino.
Elevate forze di taglio
Per la loro resistenza e durezza, le leghe di titanio richiedono grandi forze di taglio. Forze elevate possono causare vibrazioni e deviazioni durante la lavorazione, con conseguenti errori di prodotto e usura degli utensili. Per ovviare a questo problema, gli operatori delle macchine devono utilizzare attrezzature robuste e utensili affilati specifici per il titanio.
Reattività chimica
Il titanio reagisce chimicamente alle alte temperature. Questa reattività può causare l’ossidazione della superficie e la formazione di galla, che fa aderire il materiale all’utensile da taglio e lo danneggia. L’ossigeno intacca la lega di titanio, riducendo la resistenza alla corrosione. L’uso di fluidi da taglio adeguati e la lavorazione a temperature più basse possono ridurre questi impatti.
Deformazione elastica
Il titanio si deforma sotto le forze di taglio a causa del suo modulo di elasticità inferiore a quello dell’acciaio. Ciò può causare la flessione o la distorsione di oggetti sottili durante la lavorazione, con conseguenti dimensioni fuori tolleranza. Per risolvere questo problema, è necessario utilizzare supporti rigidi e parametri di taglio che riducano al minimo la deflessione.
Built-Up Edge (BUE)
La lavorazione del titanio causa spesso l’accumulo di trucioli sull’utensile da taglio. I trucioli sul tagliente dell’utensile lo opacizzano e generano calore. Per prevenire la BUE e ottimizzare le condizioni di taglio sono necessarie soluzioni di rimozione dei trucioli, come l’applicazione di refrigerante ad alta pressione direttamente sul tagliente.
Controllo dei chip
I trucioli di titanio lunghi e sottili possono avvolgere i macchinari o danneggiare le superfici lavorate se non vengono controllati correttamente. Questi trucioli ostacolano il trasferimento di calore dalla zona di lavoro, peggiorando l’accumulo di calore. Per aumentare il controllo dei trucioli e prevenire i danni, i macchinisti devono sviluppare utensili e procedure di lavorazione che favoriscano la formazione di trucioli più corti.
Sollecitazioni residue
La struttura cristallina del titanio e l’indurimento da lavoro possono causare tensioni residue durante la lavorazione. La mancata gestione di queste tensioni può causare distorsioni o rotture nel prodotto finito. L’applicazione di tecniche di lavorazione che tengano conto di queste tensioni, come tagli più profondi, può aiutare.
Consigli per la lavorazione del titanio con macchine CNC
Sebbene il titanio sia molto difficile da lavorare, sono ancora molte le industrie e i progettisti che ne apprezzano i vantaggi. Sulla base della nostra pluriennale esperienza nella lavorazione del titanio, abbiamo riassunto i seguenti insegnamenti.
Selezionare gli strumenti di taglio appropriati
Utilizzare utensili specifici per il titanio, come quelli con rivestimenti TiCN o TiAlN, per migliorare la resistenza al calore e ridurre l’usura degli utensili.
Ottimizzare i parametri di taglio
Utilizzare velocità del mandrino più basse in combinazione con velocità di avanzamento maggiori per ridurre la generazione di calore e prevenire l’indurimento del lavoro. Questa strategia favorisce l’integrità dell’utensile e ne prolunga la durata.
Assicurare la rigidità della configurazione
Fissare saldamente il pezzo da lavorare e utilizzare una configurazione robusta degli utensili per ridurre le vibrazioni e le deviazioni, che possono compromettere la lucidatura della superficie e la precisione dimensionale.
Utilizzare sistemi di raffreddamento ad alta pressione.
Utilizzare un refrigerante ad alta pressione direttamente sulla zona di taglio per dissipare efficacemente il calore, ridurre i danni termici e aumentare l’evacuazione dei trucioli.
Finiture superficiali per parti in titanio lavorate
I componenti in titanio lavorati possono trarre grande beneficio da una serie di processi di finitura superficiale che migliorano le caratteristiche sia pratiche che estetiche. Ecco alcuni dei trattamenti superficiali più frequenti utilizzati sul titanio.
Lucidatura
La lucidatura produce una superficie liscia e riflettente che migliora l’estetica dei componenti in titanio. Questo metodo è molto utile nelle applicazioni in cui l’aspetto estetico è importante, come i gioielli e le parti di aerei di alta gamma. Dettaglio della lucidatura del titanio
Anodizzazione
L’anodizzazione è una tecnica elettrochimica che deposita un rivestimento protettivo di ossido sulla superficie del titanio. Questa tecnica migliora la resistenza alla corrosione e consente la personalizzazione del colore, rendendola utile nei dispositivi medici e nei prodotti di consumo.
Bead Blasting
La granigliatura o sabbiatura produce una finitura opaca e ruvida sulle superfici in titanio. Questo approccio è spesso utilizzato per i suoi vantaggi estetici, che possono contribuire ad aumentare la resistenza ai graffi.
Rivestimento PVD (deposizione fisica del vapore)
I rivestimenti PVD, tra cui il nitruro di titanio (TiN), migliorano la durezza e la resistenza all’usura. Questo metodo prevede il deposito di un sottile strato di materiale sulla superficie del titanio, che può migliorare le prestazioni in ambienti difficili.
Elettrolucidatura
L’elettrolucidatura aumenta la finitura della superficie eliminando un piccolo strato di materiale, lasciandola pulita e brillante. Questa procedura riduce anche le micro-ruvidità e aumenta la resistenza alla corrosione.
Rivestimento a polvere
La verniciatura a polvere produce una finitura di lunga durata che può essere applicata in diverse tonalità. È molto utile per migliorare l’aspetto e la resistenza alla corrosione dei componenti in titanio utilizzati in applicazioni esterne.
Cromatura
La cromatura applica uno strato di cromo sulle parti in titanio per renderle più resistenti alla ruggine e conferire loro una finitura lucida. Questo processo è spesso utilizzato per la finitura di automobili e per la realizzazione di decorazioni.
Schiacciamento
La spazzolatura dei componenti in titanio conferisce loro un aspetto unico e aiuta a nascondere i graffi e l’usura del tempo, conferendo alla superficie un disegno lineare.
Pittura
La verniciatura delle superfici in titanio è un modo semplice per aggiungere colore e proteggerle dai danni. Di solito si usa per l’aspetto estetico e si possono utilizzare diverse tecniche di applicazione in base alla finitura desiderata.
Applicazioni delle parti lavorate in titanio
Grazie all’elevato rapporto forza-peso, alla resistenza alla corrosione e alla biocompatibilità, i pezzi lavorati in titanio sono essenziali per molte aziende. Possono essere utilizzati in diversi settori.
Industria aerospaziale
Il titanio viene utilizzato negli aerei per parti importanti come le pale dei compressori, i dischi, le strutture della cellula e i carrelli di atterraggio, perché è resistente ma non troppo pesante. Affinché gli aerei funzionino bene e durino a lungo, deve essere in grado di gestire le alte temperature e la corrosione.
Campi medici e dentali
Il titanio è un materiale popolare per gli impianti medici, come quelli dentali, le protesi articolari e gli strumenti chirurgici, perché è biocompatibile e non reagisce con i fluidi corporei. Il suo utilizzo riduce la possibilità di rifiuto e garantisce la durata dell’impianto nell’organismo.
Settore automobilistico
Le parti lavorate in titanio sono utilizzate per i componenti del motore, come valvole e bielle, nonché per i sistemi di scarico, nelle auto ad alte prestazioni e costose. La resistenza e la leggerezza del materiale aiutano l’auto a funzionare meglio e a consumare meno gas. (Fonte Wikipedia)
Applicazioni marine
Il titanio è un buon metallo per gli ingranaggi marini, gli alberi delle eliche e altre parti che saranno esposte a condizioni marine difficili perché non arrugginisce. Questo lo rende affidabile e duraturo.(Fonte Wikipedia)
Uso industriale
Le parti lavorate in titanio sono utilizzate negli scambiatori di calore, nelle valvole e nei reattori dei processi chimici e della produzione di energia, perché sono in grado di gestire ambienti corrosivi e temperature elevate, mantenendo le operazioni sicure ed efficienti.(Fonte Wikipedia)
FAQS
Confronto con altri materiali
Il Ti è più difficile da lavorare rispetto ad altri materiali perché non conduce bene il calore, è molto resistente e tende a indurirsi, il che significa che sono necessari strumenti e metodi speciali.
Perché il titanio è difficile da lavorare?
La mancanza di conducibilità termica rende il titanio difficile da lavorare perché si riscalda facilmente.
Quali sono gli utensili da taglio migliori per il titanio?
Quando si tratta di tagliare il titanio, gli utensili in metallo duro con finiture high-tech come TiAlN o TiCN sono i migliori. Questi utensili durano a lungo e contribuiscono a mantenere basso il calore durante il processo di taglio.
Quali sono i processi di lavorazione comunemente utilizzati per il titanio?
Fresatura, taglio, foratura e rettifica sono tutti metodi comuni per lavorare il titanio. Per ottenere una buona lavorazione mantenendo al minimo il calore e l’usura degli utensili, ogni processo richiede un attento controllo delle impostazioni di taglio.
Conclusione
Se si riesce a fare bene queste cose, la lavorazione CNC del titanio diventa un metodo pratico ed efficace per realizzare pezzi precisi e di lunga durata per il settore aerospaziale, medico e automobilistico.
