Il Titanio

Cos’è il titanio e come viene utilizzato

Il metallo Titanio non si trova in natura in forma libera bensì legato ad altri elementi, ma l’elemento Titanio è, comunque, il nono elemento più abbondante nella crosta terrestre (0,63% in massa) ed è presente nella maggior parte delle rocce eruttive ed in sedimenti che da esse ne derivano.

Nel 1795 il chimico tedesco Heinrich Klaproth riuscì ad isolarlo dai minerali di rutilo (TiO2) e battezzò l’elemento ispirandosi alle figure dei Titani della mitologia greca figli di Urano (il Cielo) e Gea (la Terra).

I minerali di titanio importanti sono rutilo, brookite, anatase, ilmenite e titanite.

Il principale minerale estratto, l’ilmenite, si presenta in ampi depositi di sabbia in Australia occidentale, in Norvegia, nel Canada ed in Ucraina. I grandi depositi del rutilo dell’America del Nord e del Sud Africa inoltre contribuiscono significativamente alle riserve mondiali di titanio. La produzione mondiale del metallo ammonta a circa 90.000 tonnellate all’anno e quella del diossido di titanio è pari 4,3 milione tonnellate all’anno.

Il diossido di titanio, TiO2, è comunemente trovato in forma nera o brunastra è nota come rutilo. Le forme naturali meno frequenti in natura sono anatasite e brooquite. Sia il rutilo puro che l’anatasite pura sono bianchi. L’ossido basico nero, FeTiO3, si trova in forma naturale come minerale naturale chiamato ilmenite; questa è la fonte commerciale principale di titanio.

Dall’ilmenite, attraverso complessi procedimenti chimici, dove l’elemento titanio è legato a minerali di ferro viene ricavato il titanio puro.

Il titanio commercialmente e reperibile in diversi gradi, ovvero differenti leghe che partono dal materiale allo stato più puro (CP) a quello legato con altri elementi (LEGHE DI TITANIO).

I gradi di titanio allo stato puro (CP) sono:

Grado 1: il più puro esistente. È facilmente formabile e possiede elevatissima resistenza alla corrosione;

Grado 2: il più utilizzato nell’industria, condivide con il grado 1 la forte resistenza alla corrosione ma si presenta più resistente alle sollecitazioni meccaniche;

Grado 3: dedicato soprattutto all’aeronautica;

Grado 4: il più resistente meccanicamente tra i gradi di titanio puro.

Nota: Viste le caratteristiche sopra esposte si evince, facilmente, che i suddetti gradi di titanio non sono utilizzabili in ambito ciclistico.

Si definiscono “LEGHE DI TITANIO”, tutte quelle leghe che attraverso procedimenti metallurgici vengono additivate con altri minerali (alluminio, vanadio, stagno cromo ecc.) per aumentarne le caratteristiche di resistenza meccanica e/o conferire particolari caratteristiche tecnologiche.

Leghe di titanio utilizzate per la realizzazione del nostro telaio

Per la realizzazione del nostro telaio sono state utilizzate le seguenti leghe di titanio:

Grado 9: conosciuta come 3Al – 2,5V, poiché formata da un 3% di alluminio e di 2,5% di vanadio, è una lega facilmente saldabile, con un alto carico di rottura (ovvero la massima forza in grado di romperla) e presenta un’elevata resistenza alla corrosione (inossidabile): date queste caratteristiche è la lega più utilizzata in ambito ciclistico per la realizzazione della struttura tubolare del telaio;

Grado 5: conosciuta come 6Al – 4V, poiché formata da un 6% di alluminio e di 4% di vanadio, presenta un coefficiente di rottura molto elevato – idoneo per la realizzazione di parti meccaniche costituenti il telaio quali: movimento centrale, forcellini, ecc. – presenta, inoltre, una buona saldabilità e un’elevata resistenza alla corrosione (inossidabile) che lo rende idoneo all’utilizzo in ambito ciclistico in unione al suddetto Grado 9.

Realizzazione di un telaio in titanio con saldatura TIG

La realizzazione di un telaio in titanio con tecnologia TIG (Tungsten Inert Gas) è molto particolare e necessita di apparecchiature specifiche, un’altissima professionalità e abilità manuale.

Molta attenzione deve essere posta durante la preparazione dei tubi (sgolatura) che deve essere fatta a mano: poiché lavorare le tubazioni con mole o tagliatubi meccanici ne comprometterebbe le caratteristiche.

Durante la saldatura il titanio si riscalda e diventa molto reattivo con gli elementi atmosferici (ossigeno, azoto e idrogeno presenti nell’aria), che si legano e ossidano la saldatura indebolendone irrimediabilmente il materiale: Per questo motivo è necessario saldarlo in atmosfera inerte e protettiva di argon (Inert Gas).

La saldatura del telaio e dei relativi componenti meccanici viene eseguita, principalmente, in due modi:

  1. Saldatura sotto campana in atmosfera protettiva

La saldatura del telaio avviene inserendo le tubazioni da congiungere, la pinza con l’elettrodo in tungsteno e le bacchette di apporto materiale in una campana di vetro, nella quale viene iniettato argon per saturare ed espellere l’ossigeno presente nell’aria mentre, il saldatore, dall’esterno, effettua la giunzione attraverso appositi manipolatori;

  1. Saldatura “Gas Lens”

La saldatura del telaio avviene al di fuori della campana – procedura molto utilizzata nel settore aeronautico per la saldatura delle basi strutturali dei velivoli. Utilizzando il classico sistema di saldatura TIG, si crea un cono di argon con un volume molto ampio (denominato Gas Lens), in grado di coprire l’intera saldatura e proteggerla così dalle insidie dell’ossigeno.

I vantaggi del titanio (Proprietà fisiche e meccaniche)

  • Densità (rapporto peso per unità di volume): Il titanio possiede una densità di circa 4,5 g/cm3, superiore rispetto ad altri metalli leggeri di interesse strutturale come alluminio o magnesio, ma quasi la metà rispetto a quella degli acciai (circa il 60% della densità di ferro).
  • Resistenza a trazione e a compressione: il titanio possiede un’elevata resistenza a trazione, ovvero un valore di resistenza allo snervamento (cioè alla deformazione plastica permanente) dell’ordine dei 725Mpa per il Grado 9. Un valore notevole, che lo rende perfetto per la costruzione di telai per biciclette: Infatti le forze più comuni che agiscono sui telai si svolgono lungo le direttrici longitudinali o trasversali del telaio, “tirandolo” o “accorciandolo”;
  • Rigidezza: quando applichiamo una forza su un telaio, il materiale si deforma per assorbirla, per poi ritornare nella forma originale una volta che la forza cessa di agire. Questa caratteristica si chiama deformazione plastica che lavora al di sotto del limite elastico, ovvero il carico massimo applicabile senza che vi sia deformazione permanente. Più è alta la forza, più il materiale si deforma per “accoglierla”, per poi riportarsi alla posizione originale una volta esaurito il carico. Il valore della rigidezza di un materiale è molto importante quando si parla di biciclette, poiché rappresenta l’ordine di grandezza delle forze alle quali può resistere prima di rompersi;
  • Resistenza alla fatica: durante l’utilizzo i telai delle biciclette sono sottoposti a fatica e devono resistere a cicli di lavoro ripetuti nel tempo, che “affaticano” il materiale e producono una rottura di schianto difficile da prevedere. Il titanio “eccelle” per resistenza a fatica, tanto da essere considerato un materiale “eterno”, alla pari della fibra di carbonio, che però soffre l’influsso dei raggi UV (fattore invecchiante);
  • Resistenza alla corrosione: la corrosione atmosferica è un aspetto subdolo quanto la fatica, perché indebolisce il materiale in modo lento ma graduale. L’ossidazione, lavorando pazientemente, corrode lo spessore del tubo, diminuendo la sezione resistente e abbassando così il valore reale delle forze alle quali può resistere. Il titanio, se lavorato correttamente, è “immune” alla corrosione atmosferica (inossidabile): poiché lo strato esterno del titanio è ossidato da un film resistentissimo.

Un telaio in titanio non è alla portata di tutti, visto il costo intrinseco del materiale e le dispendiose tecniche di lavorazione.
Si tratta di un materiale pregiato, dalle elevate caratteristiche di resistenza meccanica e a fatica e praticamente immune alla corrosione atmosferica e dall’invecchiamento.
I ciclisti esigenti, che vogliono una bici dal telaio affidabile, che non li lasci mai a piedi ma che sia leggero e scattante devono rivolgere lo sguardo verso questo materiale.
Di contro esistono poche case ciclistiche che propongono modelli completi di bici con telaio in titanio, per cui di solito ci si rivolge a ditte specialistiche che assemblano sia il telaio che il montaggio della componentistica.