Che cos'è il titanioLa guida definitiva

Il titanio è un importante elemento metallico con simbolo chimico Ti e numero atomico 22 nella tavola periodica. Ha una lucentezza metallica bianco-argentea e possiede eccellenti proprietà come l'elevato punto di fusione, la bassa densità, l'elevata resistenza e la forte duttilità. Titanio è un materiale industriale fondamentale. Se volete saperne di più sul titanio, continuate a leggere qui sotto!

Un altro termine per il titanio

Il titanio presenta molti vantaggi eccezionali, come la bassa densità, la forte duttilità e la forte resistenza alla corrosione, per cui è noto anche come "metallo miracoloso", "metallo spaziale" o "metallo marino".

Storia di base del titanio

Nel 1791 il titanio fu scoperto in Inghilterra dal geologo dilettante William Gregor. Nel 1795, il chimico tedesco Klaproth, facendo riferimento al nome delle divinità di Titano della mitologia greca, chiamò questo nuovo elemento "Titanio". Solo nel 1910 il chimico americano Hunter ottenne per la prima volta titanio metallico puro al 99,9% riducendo TiCl con sodio. Nel 1940, anche lo scienziato lussemburghese Kroll produsse titanio puro utilizzando il metodo della riduzione del magnesio. Da allora, sia il metodo di riduzione del magnesio che quello del sodio sono diventati processi industriali per la produzione di titanio.

Il colore del titanio

Il titanio ha l'aspetto dell'acciaio, con una lucentezza bianco-argento o grigio-argento, ed è un metallo di transizione.

Di cosa è fatto il titanio?

Il titanio è ampiamente distribuito, rappresentando circa 0,44% della crosta terrestre, e si trova in tutte le rocce, sabbie, argille e altri terreni. Tuttavia, poiché il titanio reagisce facilmente con l'ossigeno, il titanio puro non si trova in natura; esiste principalmente sotto forma di biossido di titanio. I minerali di titanio includono principalmente ilmenite e rutilo e il titanio puro può essere ottenuto attraverso la purificazione di questi minerali.

Come si produce il titanio?

Il titanio viene solitamente prodotto con il processo Kroll. In primo luogo, il minerale di titanio viene riscaldato per produrre tetracloruro di titanio liquido (TiCl4). Successivamente, si procede alla purificazione mediante distillazione frazionata. Dopo la distillazione, viene aggiunto magnesio fuso per ridurlo in forma di "spugna". La spugna viene poi fusa per formare lingotti, che vengono ulteriormente trasformati in vari prodotti meccanici come barre, lastre, fogli e tubi. Infine, questi prodotti meccanici vengono ulteriormente lavorati e modellati e, se necessario, viene applicato un trattamento superficiale per ottimizzare il prodotto.

Quali sono i principali tipi di titanio?

Il titanio presenta due tipi di strutture polimorfiche: la fase α e la fase β. In base alle caratteristiche polimorfiche del titanio, le leghe di titanio possono essere suddivise nelle seguenti tre categorie principali: leghe di titanio α, leghe di titanio β e leghe di titanio α+β.

Lega di titanio Alpha

Le leghe di titanio alfa sono ulteriormente suddivise in leghe alfa complete e leghe quasi alfa. Sono leghe monofase composte da una soluzione solida di fase alfa. Presentano buone proprietà di lavorazione a freddo e a caldo, struttura stabile e forte resistenza all'ossidazione.

Lega di titanio Beta

Le leghe di titanio beta sono ulteriormente suddivise in leghe beta stabili, leghe beta metastabili e leghe quasi beta. Sono leghe monofase composte da una soluzione solida di fase beta e presentano eccellenti caratteristiche di resistenza, raggiungendo alti livelli di forza. Possiedono inoltre una forte resistenza alla corrosione e saldabilità.

Lega di titanio α+β (Alfa+Beta)

Si tratta di una lega bifase con buone proprietà globali, tra cui struttura stabile, buona tenacità, buona plasticità e resistenza alla deformazione ad alta temperatura. La lega può essere rafforzata attraverso processi come lo stampaggio a caldo, la tempra e il trattamento di invecchiamento.

Quali sono i gradi più comuni di titanio?

Grado 1

Titanio puro commerciale di grado 1 è il tipo di titanio più morbido e duttile. Offre la massima formabilità, un'eccellente resistenza alla corrosione e un'elevata tenacità agli urti. È il materiale preferito per le applicazioni che richiedono facilità di formatura ed è comunemente utilizzato nei settori aerospaziale, automobilistico e della generazione di energia.

Grado 2

Il titanio puro commerciale di grado 2 è il titanio puro commerciale più comunemente utilizzato, con una resistenza moderata ed eccellenti proprietà di formatura a freddo. Rispetto agli altri gradi di titanio puro commerciale, Titanio di grado 2 è leggermente più debole del grado 3 ma più forte del grado 1, pur offrendo resistenza alla corrosione. Grazie alla sua resistenza alla corrosione, è comunemente utilizzato nei settori marino, medico, della produzione di energia e petrolifero.

Grado 3

Il titanio di grado 3 è il meno utilizzato tra i gradi commerciali di titanio puro, ma ciò non ne diminuisce il valore. Ha un'elevata resistenza, una buona resistenza alla corrosione e una buona saldabilità. La sua resistenza è superiore a quella del grado 1 e del grado 2, ma la sua duttilità è inferiore a quella degli altri due gradi. È comunemente utilizzato nell'industria navale, aerospaziale e di trasformazione chimica.

Grado 4

Il titanio di grado 4 è considerato il più forte tra i gradi di titanio puro in commercio, noto per l'eccellente resistenza alla corrosione, la buona formabilità e la saldabilità. È comunemente utilizzato nell'industria aerospaziale, chimica e medica per applicazioni quali strutture di cellule, scambiatori di calore, hardware chirurgico, ecc.

Grado 5 o Ti 6Al-4V

Titanio di grado 5, nota anche come Ti6Al-4V, è definita il "cavallo di battaglia" delle leghe di titanio ed è la più utilizzata tra tutte le leghe di titanio, rappresentando il 50% dell'utilizzo totale del titanio a livello mondiale. Questa lega si caratterizza per la sua leggerezza, l'altissima resistenza, la resistenza al calore, la resistenza alla corrosione e la formabilità. Per questo motivo, è molto apprezzata nell'industria aerospaziale per la produzione di motori, componenti strutturali e dispositivi di fissaggio.

Grado 6 o Ti 5Al-2,5Sn

Il titanio di grado 6 ha una stabilità estremamente forte e mantiene una buona saldabilità e resistenza anche a temperature elevate. Presenta inoltre eccellenti proprietà di lavorazione. È comunemente utilizzato per gli involucri dei motori a turbina, per i componenti degli aerei e per le parti di lavorazione chimica.

Grado 7

Il titanio di grado 7 è simile al titanio di grado 2, tranne per l'aggiunta dell'elemento interstiziale palladio (nell'intervallo da 0,12% a 0,25%), che ne aumenta la capacità di resistere alla corrosione interstiziale. Il grado 7 presenta anche un'eccellente saldabilità ed è il più resistente alla corrosione tra tutte le leghe di titanio. È comunemente utilizzato nella produzione chimica, nella desalinizzazione dell'acqua di mare e nella produzione di energia.

Grado 11

Il titanio di grado 11, noto anche come CP Ti-0,15Pd, è un titanio commerciale puro simile al grado 1 e al grado 2, con l'aggiunta di una piccola quantità di palladio per migliorare la resistenza alla corrosione. Può essere utilizzato per prevenire la corrosione interstiziale e ridurre gli acidi in ambienti con cloruri. Il titanio di grado 11 presenta anche elevata duttilità, formabilità a freddo, resistenza utile, tenacità agli urti ed eccellente saldabilità. È comunemente utilizzato nei processi chimici e negli scambiatori di calore.

Grado 12 o Ti 0,3-Mo 0,8-Ni

Il titanio grado 12, noto anche come Ti 0,3 Mo 0,8 Ni, è una lega altamente resistente alla corrosione contenente piccole quantità di nichel e molibdeno. Questi elementi migliorano la resistenza alla corrosione e aumentano la forza della lega. È comunemente utilizzata in applicazioni quali navi o piattaforme di perforazione offshore.

Grado 23 o Ti 6AL-4V ELI

Il titanio grado 23, noto anche come Ti 6Al-4V ELI, è caratterizzato da elevata duttilità, alta resistenza, leggerezza, resistenza alla corrosione ed elevata tenacità. È la scelta preferita per le applicazioni dentali e mediche.

Quale grado di titanio è il migliore?

Il titanio di grado 5 (Ti 6Al-4V) è noto come "cavallo di battaglia" perché rappresenta la metà della domanda di titanio. Grazie alla sua ampia gamma di proprietà desiderabili, è diventato il grado di titanio più comunemente utilizzato. Il titanio di grado 5 ha un'elevata resistenza, un'alta duttilità, una forte resistenza alla corrosione, un'eccellente stabilità termica ed è facile da lavorare e modellare, il che lo rende ampiamente utilizzato in settori come quello aerospaziale e navale.

Quali sono le proprietà del titanio?

Di seguito sono riportate le proprietà fisiche e chimiche del titanio:

Proprietà fisiche

Densità: 4,5 grammi/cmetro cubo

Colore: Lucentezza metallica bianco-argento

Forza: La resistenza del titanio dipende dal grado di titanio e dalla concentrazione degli elementi di lega.

Abbondanza: Il titanio è il nono elemento più abbondante nella crosta terrestre, quasi presente in tutte le rocce e i sedimenti.

Resistenza alla temperatura: Il titanio può resistere a temperature più o meno elevate rispetto all'acciaio inossidabile e all'alluminio.

Duttilità: La duttilità del titanio varia da 6% di allungamento (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) a 25% (grado 1 commercialmente puro).

Proprietà chimiche

Ossidazione: A causa del suo elevato potenziale di ossidazione, il titanio non esiste in natura nella sua forma pura, ma piuttosto sotto forma di ossidi nelle rocce e nei minerali.

Reattività: Reagisce con acidi e alogeni ad alte temperature, ma non reagisce affatto con gli alcali.

Resistenza alla corrosione: Il titanio ha una resistenza alla corrosione estremamente forte, in grado di resistere alla corrosione di acidi, alcali e acqua di mare, perché le molecole di ossigeno si combinano con il titanio per formare l'ossido di titanio.

Lavorabilità: È facile da trasformare in prodotti di varie forme, come barre, piastre, tubi, ecc.

Processo di fabbricazione del metallo titanio

Il processo Kroll viene utilizzato per convertire il titanio grezzo in titanio metallico. Le fasi di questo processo comprendono l'estrazione, la purificazione, la produzione di spugne, la produzione di leghe, la modellatura e la formatura.

1. Estrazione

I concentrati di alta qualità vengono estratti da minerali grezzi come l'ilmenite e il rutilo e inviati alle fabbriche per la lavorazione. Dopo un pretrattamento per rimuovere il contenuto di ferro, l'ilmenite viene posta in un reattore a letto fluido contenente cloro e carbone e riscaldata a 900°C. Durante la reazione chimica, si produce tetracloruro di titanio e monossido di carbonio. Il tetracloruro di titanio contiene impurità che devono essere rimosse per preparare il biossido di titanio.

2. Purificazione

Il tetracloruro di titanio viene sottoposto a distillazione sotto vuoto ad alta temperatura per la purificazione. Il metallo prodotto durante il processo di estrazione viene riscaldato in grandi serbatoi di distillazione. Il processo di purificazione utilizza la distillazione frazionata e la precipitazione per separare le impurità. A causa dei diversi punti di ebollizione dei vari elementi, durante il processo di distillazione questi vengono rimossi quando raggiungono il loro punto di ebollizione. Le impurità rimosse includono vanadio, silicio, magnesio, zirconio e ferro.

3. Formazione di spugne

Con la formazione della spugna, il tetracloruro di titanio purificato viene versato in recipienti di reazione in acciaio inox in forma liquida. Si aggiunge il magnesio e la miscela viene riscaldata a 1100°C per reagire con il cloro e produrre cloruro di magnesio. Il gas argon viene pompato per rimuovere l'aria e prevenire le reazioni con l'ossigeno e l'azoto. Il titanio prodotto viene estratto tramite perforazione e trattato con una miscela di acqua e acido cloridrico per rimuovere il magnesio e il cloruro di magnesio in eccesso. Il titanio ottenuto si presenta sotto forma di spugna.

4. Creazione di leghe

Il titanio puro in spugna viene mescolato con varie leghe e metalli di scarto per produrre leghe. Dopo aver fuso e mescolato i metalli in proporzioni appropriate, i pezzi vengono compattati e saldati per formare elettrodi di spugna. Questi vengono fusi in un forno ad arco sotto vuoto per formare lingotti da trasformare in vari prodotti industriali e commerciali.

5. Modellatura e formatura

I lingotti vengono rimossi dal forno, ispezionati, imballati e trasportati per la produzione di prodotti in lega di titanio. Le proprietà di ciascun lingotto vengono ispezionate per garantire la conformità ai requisiti del cliente. Durante il processo di fabbricazione dei prodotti, i lingotti vengono sottoposti a diversi processi quali saldatura, formatura, fusione, forgiatura e metallurgia delle polveri.

Quali sono i vantaggi del titanio?

Alta resistenza: Il titanio possiede un'eccellente resistenza, che lo rende uno dei metalli più forti della tavola periodica. Grazie alla sua bassa densità, il titanio è anche molto leggero.

Resistenza alla corrosione: Il titanio reagisce facilmente con l'ossigeno, formando un sottile strato di ossido sulla sua superficie, che offre una naturale resistenza alla corrosione.

Biocompatibilità: Il titanio è atossico e biocompatibile sia con l'uomo che con gli animali. Per questo motivo, il titanio è spesso utilizzato nell'industria medica e dentale.

Basso coefficiente di espansione termica: Il titanio ha un basso coefficiente di espansione termica, che determina un'espansione e una contrazione minime a temperature estreme, con conseguente maggiore stabilità strutturale.

Alto punto di fusione: Il titanio ha un punto di fusione estremamente elevato (circa 1668°C), che lo rende particolarmente adatto alle applicazioni ad alta temperatura, come le fonderie e i motori a turbina.

Eccellenti possibilità di produzione: Nonostante sia un metallo molto resistente, il titanio è anche morbido e duttile. Ciò consente di produrre componenti in titanio con diversi processi produttivi.

Quali sono i limiti del titanio?

Costoso: Il titanio è considerato un metallo raro e la sua purificazione è costosa e complessa.

Difficile da modellare: Per modellarlo in forme utili sono necessari macchinari avanzati e attrezzature specializzate.

Reagisce ad alte temperature: Ciò rende la produzione di titanio puro e di leghe di titanio complessa e altamente controllata. La produzione di titanio deve essere condotta in ambienti anaerobici strettamente controllati.

Scarsa conducibilità termica: Il titanio è un materiale con scarsa conducibilità termica, che ne rende difficile la lavorazione.

Quali sono le applicazioni del titanio?

Aerospaziale: Le leghe di titanio sono apprezzate nell'industria aerospaziale per l'elevato rapporto resistenza/densità, la resistenza alla corrosione e la capacità di resistere a temperature moderate senza subire creep.

Automobile: Il titanio è favorito nell'industria automobilistica per la sua bassa densità, l'elevato rapporto forza-peso, la resistenza alla corrosione e al calore.

Industriale: Il titanio è ampiamente utilizzato negli ambienti industriali grazie alla sua elevata forza, resistenza alla corrosione, leggerezza e durata. Le sue applicazioni comprendono scambiatori di calore, valvole, tubi e bielle.

Medico: Il titanio è atossico e biocompatibile con le ossa umane, il che lo rende molto adatto alle applicazioni mediche. Ha proprietà intrinseche per l'integrazione ossea e può essere utilizzato per impianti dentali che possono durare più di 30 anni, il che è utile anche per applicazioni di impianti ortopedici.

Effetti del titanio metallico sulla salute e sull'ambiente

Effetti del titanio sulla salute: Il titanio metallico è un materiale biocompatibile con un'eccellente biocompatibilità e non è tossico. È comunemente utilizzato in strumenti e impianti medici e non ha effetti nocivi sul corpo umano.

Effetti ambientali del titanio: Il titanio non rilascia sostanze tossiche, evitando così impatti ambientali negativi. Tuttavia, durante il processo di produzione del titanio, possono essere generati alcuni rifiuti o emissioni di scarico. Tuttavia, con una gestione efficace e misure di trattamento proattive, l'impatto ambientale può essere ridotto al minimo.

Domande frequenti

Qual è il costo del titanio?

Il costo del titanio puro commerciale è di circa $23-25 al chilogrammo, mentre il costo delle leghe di titanio è di circa $27-30 al chilogrammo.

Qual è il grado di titanio più economico?

Attualmente, il titanio di grado 1 ha un prezzo relativamente più basso, che dipende principalmente dai requisiti applicativi specifici e dalle condizioni di fornitura del mercato.

Quale grado di titanio viene utilizzato per l'anodizzazione?

Sia il titanio di grado 2 che quello di grado 3 possono essere utilizzati per il trattamento di anodizzazione.

Il titanio è resistente alla ruggine?

Sì, le leghe di titanio hanno un'eccellente resistenza alla corrosione e possono sopportare l'erosione di molte sostanze chimiche.

Il titanio è magnetico?

In generale, il titanio puro è tipicamente non magnetico perché la sua struttura cristallina non supporta il magnetismo. Tuttavia, alcune leghe di titanio possono presentare magnetismo, a seconda dei tipi e delle concentrazioni degli elementi di lega.

Il titanio è a prova di proiettile?

Sì, il titanio ha capacità antiproiettile per le pistole e i fucili da caccia, ma per le attrezzature militari il titanio non è antiproiettile.

Qual è la differenza tra titanio e alluminio?

Caratteristiche del materiale: Il titanio ha una forza e una resistenza alla corrosione superiori a quelle dell'alluminio, pur essendo più leggero di quest'ultimo, ma è più costoso. L'alluminio è un metallo leggero con una buona conducibilità termica ed elettrica e un costo inferiore rispetto al titanio.

Applicazioni: Il titanio è comunemente utilizzato in applicazioni che richiedono elevata forza e resistenza alla corrosione, come i dispositivi aerospaziali e medici. L'alluminio ha una gamma più ampia di applicazioni, tra cui quelle aerospaziali, automobilistiche, edilizie ed elettroniche.

Difficoltà di elaborazione: A causa della sua maggiore forza e resistenza alla corrosione, il titanio è più difficile da lavorare e richiede attrezzature e tecniche di lavorazione di livello superiore. L'alluminio, invece, è relativamente facile da lavorare e può essere lavorato e formato con metodi convenzionali.

Quale grado di titanio viene utilizzato per la stampa 3D?

Il titanio di grado 5, noto anche come Ti-6Al-4V, è comunemente utilizzato nella stampa 3D grazie al suo eccellente rapporto resistenza/peso e alla sua biocompatibilità.

Conclusione

Questo articolo presenta cos'è il titanio, la sua storia di sviluppo, i tipi di titanio, la classificazione dei gradi di titanio, le informazioni di base sulle sue caratteristiche, ecc. Il processo di formazione delle leghe di titanio è spiegato principalmente con il metodo Kroll, insieme ai vantaggi e agli svantaggi del titanio e ai suoi campi di applicazione.

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