Tutto sul metallo titanio

Il titanio è considerato un metallo inestimabile nell'ingegneria e nella tecnologia contemporanee. Alla luce delle sue caratteristiche peculiari, come la sua capacità di fornire elevata resistenza, bassa densità, ed eccellente resistenza alla corrosione, è un materiale vitale per varie industrie. Tutto, dalle ali degli aeroplani alle sostituzioni dell'anca, il titanio è utilizzato in diverse parti di molte cose che compongono la nostra vita quotidiana. Gli usi del titanio vanno dal far durare più a lungo gli aerei, al miglioramento delle prestazioni delle attrezzature sportive o al rafforzamento delle attrezzature mediche di supporto vitale. In questo articolo, capiremo perché il titanio è diventato così cruciale. Esaminandone le caratteristiche, usi, metodi di produzione, e i gradi più utilizzati attualmente sul mercato.

Cos'è il titanio?

Lamiere di titanio

Titanio(una lega non magnetica) è altamente rigido, senza peso, e non si corrode facilmente. Tuttavia, è comparativamente più costoso di alluminio, E acciaio. Nella tavola periodica, il titanio appartiene al gruppo 4 e periodo 5 di elementi aventi numero atomico pari a 22 e il simbolo “Ti”. Il metallo titanio ha una superficie brillante e brillante che può essere di colore grigio o bianco. Il titanio può essere colorato in varie tonalità mediante un processo noto come anodizzazione. Il principio fondamentale si realizza variando la tensione.

Inoltre, è importante sapere che il titanio è il nono metallo più abbondante sulla Terra. È solubile nelle rocce, minerali, argilla, e sabbia. Ma, non esiste nel suo stato originale in natura. Piuttosto, il titanio si combina con l'ossigeno per proteggere i componenti fornendo uno strato schermante di biossido di titanio (TiO₂).

Principalmente, il titanio si trova spesso nelle sue forme minerali. COSÌ, il titanio puro può essere estratto da due minerali: rutilo, che è scuro e simile al cristallo, e ilmenite, che è di colore grigio-nero. Inoltre, ci sono più minerali per la produzione del titanio incluso l'anatasio, perovskite, brookite, e titanite.

Come accennato prima, il titanio è più costoso/più costoso dell’acciaio o dell’alluminio, e nonostante questo, trova solitamente il suo ampio utilizzo in diverse applicazioni. Il titanio commercialmente puro è disponibile a circa $18 E $20 per chilogrammo. Normalmente, le leghe di titanio costano di più. Questi costi possono variare da 70 A 80 Massa di dollari USA/chilogrammo.

Proprietà chiave del titanio

Le proprietà del titanio sono divise in chimiche, fisico, e categorie meccaniche, evidenziandone le caratteristiche uniche per varie applicazioni.

Tavolo: Fisico, Chimico & proprietà meccaniche del titanio.

Proprietà fisiche	Proprietà chimiche	Proprietà meccaniche
Densità: 4.54 g/cm³	Contenuto di carbonio: ≤ 0.08%	Resistenza alla trazione: 200-1,400 MPa
Punto di fusione: 1,668°C	Contenuto di ferro: ≤ 0.5%	Forza di snervamento: 200-1,200 MPa
Conduttività elettrica: 2.38 x 10^6 S/m	Contenuto di ossigeno: ≤ 0.25%	Durezza (Brinell): 150-400 HB
Conduttività termica: 21.9 W/m·K	Contenuto di azoto: ≤ 0.03%	Allungamento (Duttilità): 10-30%
Proprietà magnetiche: Non magnetico	Contenuto di idrogeno: ≤ 0.015%	Modulo di elasticità: 105-120 GPa

Come è fatto il titanio??

La produzione del titanio prevede diversi passaggi chiave: Descriviamo il processo di produzione del titanio nel modo seguente:

• Estrazione del minerale di titanio: Tra tutti i minerali di titanio i due tipi più comunemente usati sono l'ilmenite (FeTiO₃) e rutilo (TiO₂). I seguenti minerali vengono estratti e lavorati con l'obiettivo di ottenere biossido di titanio.
• Conversione in tetracloruro di titanio (TiCl₄): Le fasi principali nella produzione di composti di titanio comportano la clorurazione del biossido di titanio. Ulteriore, si trasforma in tetracloruro di titanio. Il rispettivo processo prevede l'uso di biossido di titanio e cloro gassoso e i due vengono trattati mediante calore.
• Riduzione al metallo di titanio: Il tetracloruro di titanio viene quindi ridotto a titanio metallico utilizzando il Kroll, e processi Hunter. In questi processi, il tetracloruro di titanio viene fatto reagire con il magnesio ad alte temperature per produrre cloruro di titanio e magnesio (MgCl).
• Purificazione e lega: Ricordare, che il materiale titanio è puro e deve essere legato con altri componenti per ottenere le caratteristiche desiderate. Alcuni dei componenti ampiamente utilizzati nelle leghe sono l'alluminio, vanadio, e molibdeno.
• Elaborazione e fabbricazione: Questi moduli includono moduli foglio, forme di bastoncini, e forme tubolari tra le altre forme a seconda delle esigenze degli utenti. Ulteriore, viene sottoposto a vari processi per produrre prodotti finiti utilizzando la tornitura, saldatura, e casting tra gli altri.

Gradi di titanio comunemente utilizzati per la produzione di componenti

Il titanio è disponibile in vari gradi a seconda dell'applicazione prevista e delle specifiche del materiale. Questi gradi vengono normalmente classificati in base alla composizione chimica e alle caratteristiche meccaniche. I gradi comuni di titanio sono i seguenti:

1. Grado 1

Descrizione: Comunemente noto come titanio commerciale, ha la più alta duttilità e la più bassa resistenza di tutti i gradi di titanio.

Composizione chimica: 99.5% titanio.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione:240MPa o 35 ksi
• Forza di snervamento: 170 MPa (25 ksi)
• Allungamento:24%

2. Grado 2

Descrizione: Questo grado è caratterizzato da buona resistenza e buona duttilità.

Composizione chimica: Circa 98.9 per cento di composto di titanio, e il resto è ferro e ossigeno.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione:350 MPa (50 ksi).
• Forza di snervamento: La resistenza alla trazione spetta a 275 MPa (40 ksi).
• Allungamento: 20%

3. Grado 3

Descrizione: Il voto desiderato è più forte di Gradi 1 E 2 ma ha una duttilità inferiore rispetto ai due gradi.

Composizione chimica: In giro 97.5% titanio con ferro e ossigeno come principali elementi di lega.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione: La resistenza allo snervamento del materiale è 450 MPa (65 ksi).
• Forza di snervamento: Tipicamente, la densità del materiale è 380 MPa (55 ksi).
• Allungamento: 15%

4. Grado 4

Descrizione: Grado 4, ha un'elevata resistenza e una duttilità relativamente moderata, Normalmente, applicato dove si desidera un'elevata resistenza.

Composizione chimica: Ne ha circa 90% titanio e tracce di elementi come il ferro, ossigeno, e altri.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione: 550 MPa (80 ksi).
• Forza di snervamento:480 MPa (70 ksi)
• Allungamento: 10%

5. Grado 5 (Ti-6Al-4V)

Descrizione: La più popolare tra tutte le leghe di titanio grazie alla sua elevata resistenza e buona saldabilità. Grado 5 ha alluminio e vanadio come costituenti della lega. Relativamente, utilizzato nelle applicazioni di stampa 3D per la produzione di prototipi.

Composizione chimica: Contiene 90% di titanio, 6% di alluminio, E 4% di vanadio.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione: 900 MPa (130 ksi).
• Forza di snervamento: 830 MPa (120 ksi)
• Allungamento: 14%

6. Grado 7

Descrizione: Grado 7 ha caratteristiche di corrosione migliorate rese possibili dall'incorporazione del palladio. Di solito si trova tra BETA gradi.

Composizione chimica: Di 90 per cento di titanio con una piccola quantità di palladio.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione: La resistenza allo snervamento del materiale è 370 MPa o 54 ksi.
• Forza di snervamento: Tipicamente, 275 MPa (40 ksi).
• Allungamento: 20%

7. Grado 9 (Ti-3Al-2. 5V)

Descrizione: Un grado leggero che presenta una maggiore resistenza e migliori proprietà di fatica, utilizzato nelle attrezzature aerospaziali e sportive.

Composizione chimica: 90% Titanio, 3% Alluminio, 2.5% vanadio.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione:620 MPa o 90 ksi
• Forza di snervamento: Le proprietà del materiale dell'acciaio utilizzato nella costruzione della piattaforma offshore sono 480 MPa (70 ksi) resistenza alla trazione.
• Allungamento:15%

8. Grado 23 (Ti-6Al-4V ELI)

Descrizione: Questa è una variante interstiziale bassa di Grade 5, che di solito migliora la resistenza alla frattura. Comunemente impiegato negli impianti medici.

Composizione chimica: 90% titanio, 6% alluminio, 4% vanadio con una minore quantità di contenuto di ossigeno.

Proprietà meccaniche:

• Resistenza alla trazione:860 MPa (125 ksi)
• Forza di snervamento:795 MPa (115 ksi).
• Allungamento:14%

I diversi gradi di titanio hanno caratteristiche uniche che lo rendono adatto a molti usi in settori come quello aerospaziale, medico, e usi industriali.

Operazioni di lavorazione del titanio

Lavorazione del titanio

Il titanio è un po' difficile da lavorare. Perché è altamente rigido e resistente. COSÌ, le proprietà del materiale richiedono l'esecuzione di lavorazioni specifiche. Alcune delle operazioni comuni impiegate nella lavorazione sono Tornitura CNC, fresatura, perforazione, E toccando. Le leghe di titanio vengono normalmente lavorate a basse velocità per ridurre al minimo il calore e l'usura della fresa. Vengono utilizzati utensili da taglio in carburo poiché proteggono maggiormente il titanio dall'usura. Nel lavoro di alta precisione, le tolleranze potrebbero arrivare fino a ±0,005″. Inoltre, È possibile eseguire anche altre tecniche, tra cui Lavorazione ad elettroerosione (Elettroerosione), e taglio laser per le geometrie e le aree difficili da lavorare con mezzi convenzionali.

Applicazioni industriali del titanio

Scopriamo le applicazioni comuni del titanio in diversi settori:

Industria aerospaziale

I settori aerospaziali sono i maggiori consumatori di titanio. Il titanio e le sue leghe vengono solitamente utilizzati per parti di aeromobili, comprese parti di motori a reazione, carrelli di atterraggio, strutture della cellula, e sistemi di scarico. Questi materiali sono particolarmente adatti a queste aree ad alto stress grazie al loro elevato rapporto resistenza/peso e alle capacità di resistenza alla corrosione.

Industria medica

Nel settore medico, il titanio viene applicato nella fabbricazione di apparecchi chirurgici, e dentale, e attrezzature protesiche. Ciò lo rende compatibile con il tessuto umano in modo che una volta impiantato non susciti alcuna reazione avversa.

Industria automobilistica

L’industria automobilistica è uno dei maggiori consumatori di titanio. Il titanio aiuta a produrre prodotti come auto da corsa e auto di lusso di fascia alta. Sono utilizzati nella produzione di sistemi di scarico, parti della valvola, e sistemi di sospensione che facilitano la leggerezza e l'elevata resistenza dei veicoli.

Industria della lavorazione chimica

Come discusso in precedenza, il materiale in titanio non è facilmente corroso dall'ambiente. COSÌ, può essere utilizzato nella produzione di valvole per pompe, scambiatori di calore, e sistemi di tubazioni per impianti chimici. Ulteriore, ha aggiunto il vantaggio di poter gestire sostanze chimiche molto aggressive e quindi, aumenta la durata dell'apparecchiatura.

Industria marina

Il titanio ha elevate caratteristiche di resistenza alla corrosione. COSÌ, È ampiamente utilizzato nella produzione di componenti e accessori navali come gli alberi delle eliche, raccordi dello scafo, e sistemi di acqua di mare, e offre elevata durata e bassa manutenzione in ambienti marittimi.

Conclusione

Per concludere, a causa delle proprietà distinte del materiale di titanio, è possibile lavorarlo secondo la tolleranza richiesta. I suoi diversi gradi possono essere applicati nel settore aerospaziale, medico, e settori industriali. Tuttavia, il titanio ha una scarsa lavorabilità, può essere lavorato con grande precisione se durante il processo vengono utilizzati strumenti e tecniche adeguati. Ciò rende il titanio prezioso in qualsiasi applicazione in cui resistenza e precisione sono fondamentali.

Domande frequenti

Q1. Quali sono le principali categorie di leghe di titanio?

Le leghe di titanio sono classificate in tre tipi principali: che includono le leghe alfa, leghe beta, e leghe alfa-beta. Le leghe alfa sono quelle che possiedono un'elevata resistenza e un grado accettabile di duttilità. Le leghe beta forniscono proprietà meccaniche migliorate, forza avanzata, e migliore lavorabilità. Le leghe alfa-beta contengono sia fasi alfa che beta e pertanto vengono mostrate le proprietà associate ad entrambe le fasi.

Q2. In che modo il titanio si confronta con altri metalli in termini di corrosione??

Il titanio ha uno strato di ossido naturale che lo rende resistente alla ruggine e alla corrosione; Perciò, può essere utilizzato in acqua di mare, acido, e altri ambienti corrosivi.

Q3. Perché il titanio viene utilizzato nelle applicazioni aerospaziali?

Il materiale in titanio è estremamente leggero, eppure molto forte, che lo rende ideale per usi aerospaziali. Offre elevata resistenza, ma si tratta 50% più leggero dell'acciaio. Perciò, migliora significativamente l'efficienza del carburante e le prestazioni dei componenti di aeromobili e veicoli spaziali.

Q4. Cosa rende il titanio biocompatibile?

Il titanio non suscita alcuna risposta negativa se utilizzato nel corpo umano. Dopotutto, può facilmente legarsi al tessuto umano. Grazie alla sua superficie non aderente e chimicamente inattiva, non provoca infiammazioni se utilizzato in impianti chirurgici e arti artificiali.

Q5. Come viene lavorato e fabbricato il titanio?

Titanio come molti altri metalli. Può essere lavorato nei modi tradizionali. Ma è un metallo molto duro e resistente, necessitano quindi di strumenti e metodi di lavorazione specializzati. Questi includono la lavorazione ad alta velocità, rettifica di precisione e lavorazione con elettroerosione (Elettroerosione). Altri processi coinvolti nella fabbricazione possono essere la saldatura, fusione, forgiatura, e simili a seconda delle esigenze.