APPLICAZIONE DELLE LEGHE Ti-6Al-4V

Introduzione:

Scopo di questo lavoro non è quello di fornire una completa e dettagliata caratterizzazione del titanio e delle sue leghe (le cui caratteristiche sono peraltro ampiamente descritte in letteratura e in altri elaborati disponibili sul sito del corso: http://www.ing.unitn.it/~colombo/) bensì quello di fare il punto sull’ attuale stato dell’arte per quanto riguarda l’utilizzo di questo materiale in campo motociclistico, andandone ad analizzare le problematiche specifiche nell’impiego industriale dalla fase di progettazione a quella di realizzazione dei componenti.

La sinteticità della prima sezione, in cui viene presentata una breve caratterizzazione del titanio, è quindi giustificata dall’obbiettivo di fornire le minime nozioni di base che dovrebbero consentire anche al lettore generico di comprendere quanto riportato nella seconda e principale sezione del lavoro. In quest’ottica per il lettore più tecnico o semplicemente curioso è riportata una terza sezione di approfondimento sulla lega di titanio di più comune impiego nell’industria automobilistica e motociclistica: la Ti6Al4V.

Tale trattazione può comunque ritenersi indipendente dalle prime due e quindi non indispensabile per la loro comprensione

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SEZIONE PRIMA: breve caratterizzazione del titanio

1.1.cenni storici:

Il titanio, materiale abbondantemente presente sulla crosta terrestre sotto forma di biossido, fu scoperto in Cornovaglia nel 1791 da William Gregor, appassionato chimico e mineralogo che ne rintracciò la presenza dell’ossido di titanio FeTiO₃ (ilmenite) in campioni di sabbia di fiume.

Il composto fu depurato dal ferro con trattamenti di acido cloridrico ma non ridotto allo stato metallico.

Quasi in contemporanea alla scoperta di W.Gregor lo stesso elemento fu isolato dal chimico tedesco Klaproth sotto forma di biossido dal minerale rutilo (TiO₂).

A causa della notevole stabilità dell’ossido di titanio per i primi processi significativi di produzione del metallo puro si deve attendere fino al 1910, anno in cui lo studioso Matthew A.Hunter riuscì a ridurre la forma ossidata in quantità sufficienti a poterne studiare il comportamento meccanico.

Le notevoli caratteristiche e l’evoluzione dei processi produttivi hanno poi portato alla sua commercializzazione (in verità alquanto limitata) a partire dal secondo dopoguerra.

Utilizzato inizialmente in campo aeronautico è poi diventato materiale indispensabile in diversi settori industriali di nicchia grazie al particolarmente favorevole rapporto resistenza/massa ed alle eccezionali qualità di resistenza alla corrosione.

I primi tentativi di applicazione di leghe di Titanio in campo motociclistico si devono alla BSA nel cross, con risultati peraltro alquanto deludenti, causa le scarse conoscenze metallurgiche del tempo e la rudimentalità dei processi di lavorazione (trattamenti termici, tecniche di saldatura).

Le successive esperienze in campo automobilistico (dove soprattutto Porche ha investito in ricerca e sviluppo di questo materiale) hanno stimolato nuove e più efficaci proposte nelle competizioni velocistiche a due ruote (tra cui si ricordano le prime valvole in titanio sperimentate dalla Norton Daytona 3 cilindri sul finire degli anni sessanta), ma sempre con costi molto elevati.

La volontà di contenere questi ultimi e di evitare tentativi di produzione artigianali non supportati dal know-how necessario a garantire un’adeguata sicurezza dei componenti, hanno spinto la FIM (Federazione Internazionale Motociclismo) a vietare l’utilizzo di componenti in titanio per telaio e sospensioni nelle moto da competizione.

Alla luce degli enormi progressi fatti nel campo della metallurgia, della progettazione e delle tecnologie di lavorazione, grazie soprattutto alle esperienze nel settore aeronautico, questa messa al bando appare però oggi quantomeno anacronistica e probabilmente giustificata più da ragioni economiche che non di sicurezza.

Questo veto non ha comunque impedito al titanio di proporsi nel mondo delle competizioni come materiale di prima scelta nella realizzazione di alcuni componenti motoristici particolarmente sollecitati (valvole, bicchierini, molle di richiamo, bielle, viti, impianti di scarico) e come materiale di alleggerimento per componenti della ciclistica (telaietti, piastre e aste forcelle, mozzi, bulloneria).

Negli ultimi anni inoltre si è assistito ad un sempre maggiore interesse delle case costruttrici di moto e ad un costante susseguirsi di nuove proposte da parte dell’industria metallurgica.

Questo ha quindi portato ad un lento ma progressivo abbassamento dei costi e ad un’ estensione di alcuni di questi componenti alle produzioni di serie ( principalmente per valvole e impianti di scarico), anche se limitata ai modelli di più spiccata vocazione sportiva.

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1.2.PROPRIETà TECNOLOGICHE del titanio:

Le leghe di titanio sono caratterizzate da un rapporto prestazioni/peso particolarmente favorevole rispetto agli altri materiali di comune impiego strutturale.

La sua resistenza a trazione non è infatti eccessivamente inferiore a quella di un acciaio di impiego strutturale, rispetto al quale presenta però una densità inferiore di circa il 40%.

Nei confronti delle normali leghe leggere (alluminio e magnesio) risulta invece nettamente più resistente anche se a prezzo di un peso leggermente superiore.

Queste caratteristiche permettono di progettare componenti di elevata leggerezza senza la necessità di aumentare oltremodo le sezioni e di conseguenza gli ingombri del componente stesso (come invece avviene per le leghe leggere), fattore questo di cruciale importanza in campo motociclistico, dove leggerezza e compattezza sono tra i parametri di progetto più importanti.

Il titanio presenta inoltre limite a fatica (tipico degli acciai ma non di alluminio e magnesio), fattore di cruciale importanza nella progettazione di componenti soggetti a carichi ciclici come gli organi del manovellismo nei motori alternativa.

Un’altra importante caratteristica è la buona duttilità (quindi elevato allungamento a rottura, circa tre volte superiore a quello di alluminio e acciaio) che soprattutto nel titanio puro previene da improvvise rotture di tipo fragile oltre a permettere una buona lavorabilità.

Tra le peculiarità del titanio anche l’elevata temperatura di fusione (1678°C), l’elevata inerzia termica ed elettrica dovute alle relative basse conducibilità, l’ottima resistenza allo scorrimento viscoso (creep), la scarsissima tendenza a corrosione e tensocorrosione (paragonabile ad un ottimo acciaio inox per il titanio puro), che rende praticamente inutili l’utilizzo di rivestimenti o verniciature di protezione da agenti atmosferici.

Si aggiungono inoltre una generalmente buona lavorabilità e saldabilità, stabilità dimensionale nei trattamenti termici e biocompatibilità (non essenziale in campo motociclistico ma che lo hanno reso uno dei materiali metallici più utilizzati per protesi in campo medico ed ortodontico, vedi sito del corso alla pagina: http://www.ing.unitn.it/%7Ecolombo/Titanio_in_ortodonzia/Relazione/homepage.htm).

Non si devono inoltre trascurare caratteristiche quali la riciclabilità e non tossicità che potrebbero divenire importanti nel caso di grossi aumenti dei volumi produttivi di titanio.

Si deve però anche sottolineare una scarsa rigidità del titanio rispetto all’acciaio, (caratterizzati da moduli elastici rispettivamente di circa 105GPa e 210GPa), che risulta comunque superiore ad alluminio e magnesio (70 e 45 GPa circa).

Tra le principali limiti “storici” del titanio troviamo invece l’elevata reattività a caldo (che ne rende estremamente critica la saldatura) e la scarsa resistenza ad usura da strisciamento.

Bisogna però sottolineare che tali aspetti sono da considerarsi più difetti di gioventù che non reali limiti del materiale.

Lo sviluppo di uno specifico Know-how ha infatti portato alla definizione di tecnologie, composizioni e trattamenti che rendono il titanio sufficientemente lavorabile (non presenta difficoltà superiori a quelle di un acciaio inox) ed estremamente resistente ad usura e quindi adatto anche alla realizzazione di componenti come valvole di motori, tipicamente a rischio di grippaggio per il loro moto alterno nelle sedi.

Si riporta a seguito una tabella di confronto di alcune proprietà fisiche per alcuni materiali metallici:

Figura 1: Alcune proprietà fisiche dei più diffusi metalli per impieghi strutturali;

Allo stato attuale le caratteristiche fisico-meccaniche del titanio sono ritenute per diversi impieghi notevolmente superiori a quelle degli altri materiali strutturali e che quindi i motivi della sua scarsa diffusione sono principalmente legati all’ elevato costo ed alla complessità e specificità dei processi di progettazione e lavorazione richiesti.

Per una più dettagliata analisi delle proprietà fisiche e meccaniche del materiale si rimanda alla terza sezione dell’ elaborato (capitolo 3.3), in cui vengono prese in esame le principali caratteristiche della lega Ti6Al4V.

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1.3. riferimenti normativi:

Analogamente ai principali metalli anche per il titanio esiste un quadro di normative di riferimento che ne definisce le caratteristiche, la composizione chimica, le relative forcelle di analisi nonché valori di resistenza a rottura, snervamento e allungamento.

Le norme più note a livello internazionale sono quella americana ASTM MIL-T e AMS quelle Russe, Ucraine GOST (non troppo dissimili alle norme occidentali) e le DIN (tedesca), EN (europea), UNI (italiana) e SAE (Society Automotive Engeneering).
La normativa americana ASTM per il titanio Commercialmente puro (C P) identifica quattro gradi principali ognuno con caratteristiche differenti e idonee nelle diverse applicazioni industriali per contro la normativa russa GOST identifica due differenti tipologie per il titanio CP.

La norma ASTM B 265 riguarda i laminati piani, la ASTM B 348 si riferisce ai prodotti lunghi la B 337 e B338 si riferiscono ai tubi in titanio.
La norma GOST 19807-91 riguarda la composizione chimica delle principali leghe: la GOST
22178-76 si riferisce alle lamiere in titanio e leghe di titanio; la GOST 23755-79 si riferisce alle
piastre; la GOST 26492-85 ai tondi in titanio o in lega di titanio; la GOSI 22897-86 si riferisce ai
tubi non saldati formati a freddo.

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1.4. mETALLURGIA del titanio:

Il titanio puro a temperature inferiori agli 883°C si presenta con una microstruttura cristallina esagonale detta alfa, che si trasforma in cubica a corpo centrato beta a temperature superiori.

Senza entrare troppo in dettagli di carattere metallurgico (sui quali è riportato un approfondimento nella terza sezione dell’elaborato) basti dire che un reticolo cristallino cubico (che caratterizza la fase beta) presenta generalmente caratteristiche di duttilità e quindi deformabilità superiori a quelle di un reticolo esagonale (fase alfa).

Quest’ultimo può però determinare durezza e resistenza a trazione e snervamento superiori.

Si comprende quindi come legando il titanio con particolari elementi che favoriscono l’esistenza dell’una o dell’altra fase e sottoponendolo a specifici trattamenti termici si riescano a produrre leghe con diverse quantità delle due fasi e di conseguenza proprietà differenziate.

Tra gli elementi in lega utilizzati come alfa-stabilizzanti, beta-stabilizzanti o neutri troviamo:

Figura 2: Elementi alliganti alfa e beta stabilizzanti per il titanio;

Questi elementi hanno quindi la funzione di stabilizzare la fase in cui solubilizzano meglio e determinano i diversi gruppi di microstrutture, rispetto alle quali si definiscono tre principali categorie di leghe di titanio:

Leghe alfa:

Caratterizzate da una buona saldabilità ed un buon comportamento meccanico ad alte temperature (e quindi un’elevata resistenza al creep) anche in virtù dei generalmente alevati contenuti di alluminio (5÷8%).

Presentano come principale limite quello di non poter subire nessun tipo di trattamento termico finalizzato ad un ulteriore miglioramento delle caratteristiche meccaniche ed una difficoltosa lavorabilità a causa dell’elevata resistenza a deformazione.

Tali caratteristiche ne pregiudicano quindi un largo impiego in applicazioni strutturali.

Leghe beta:

Presentano caratteristiche meccaniche eccellenti (le più elevate tra le leghe di titanio) ma non sono saldabili (o perlomeno non senza notevoli complicazioni tecnologiche).

Sono quindi utilizzate in applicazioni che non prevedono tale lavorazione (bulloni, molle).

Leghe alfa+beta:

Sono le leghe di maggiore interesse commerciale, caratterizzate da importanti percentuali di alluminio (tra il 3% ed il 7%, ad esclusione di alcune leghe come la Ti-8Mn) ed elevate caratteristiche meccaniche, grazie soprattutto alla possibilità di essere sottoposte a trattamenti termici quali SOLUTION TREATMENT, RAPID QUENCING, RINVENIMENTO MARTENSITI che verranno più dettagliatamente descritti nella terza sezione.

A livello commerciale si usa anche fare riferimento alla quantità di alliganti presenti. Si riporta quindi anche una differente classificazione:

Titanio puro o non legato:

Noto anche con la sigla CP (commercially pure) è classificato dalla normativa americana ASTM in cinque categorie (grado 1-2-3-4-7) a seconda delle proprietà meccaniche.

In generale all’aumentare del grado si ha un incremento della caratteristiche meccaniche, ad eccezione del grado 7 che presenta temperatura di fusione, carico a snervamento e a rottura, allungamento a rottura e durezza pari al grado 2 ma con una maggiore resistenza alla corrosione alle alte temperature.

Si riportano a seguito le composizioni ed alcune caratteristiche delle due categorie estreme di titanio puro (per i gradi 2 e 3 si avranno caratteristiche intermedie tra quelle sotto indicate):

ASTM GRADO 1:

La qualità di titanio puro più indicata per deformazioni a freddo ed al profondo stampaggio. E’ impiegata soprattutto per il rivestimento di serbatoi e per la produzione di lamiere stirate.

TI	O	N	H	C	Fe
99,8	0,180	0,030	0,005	0,080	0,200

T° DI TRANSIZIONE DA ALFA A BETA	T° DI FUSIONE	CARICO DI SNERVAMENTO A 20°C	CARICO DI ROTTURA A 20°C	ALLUNGAMENTO	DUREZZA SUPERFICILALE	RESISTIVITÀ ELETTRICA A 20°C
888° C	1.670° C	170 N/MM²	240 N/MM²	24 %	140 HB	0,46 µohm

ASTM GRADO 4:

È utilizzato dove sia richiesto resistenza alla corrosione ed all’erosione e per temperature fino a 425° C:

TI	O	N	H	C	Fe
99,5	0,400	0,050	0,015	0,080	0,500

T° DI TRANSIZIONE DA ALFA A BETA	T° DI FUSIONE	CARICO DI SNERVAMENTO A 20°C	CARICO DI ROTTURA A 20°C	ALLUNGAMENTO	DUREZZA SUPERFICILALE	RESISTIVITÀ ELETTRICA A 20°C
950° C	1.660° C	480 N/MM²	550 N/MM²	15 %	200 HB	0,60 µohm

Il titanio puro in generale viene utilizzato quando è richiesta elevatissima resistenza alla corrosione (superiore a quella di acciaio inox e rame) e ottima saldabilità (entrambe caratteristiche peggiorate dall’ aggiunta di elementi in lega), a prezzo però di caratteristiche meccaniche decisamente inferiori.

L’elevato allungamento a rottura rende il titanio puro particolarmente adatto anche a tutte quelle applicazioni che richiedono elevata duttilità, anche a temperature elevate, con possibilità di esercizio fino ai 350°C costanti e brevi esposizioni fino a 540°C.

L’impiego a temperature inferiori agli 0°C ne aumenta inoltre le caratteristiche meccaniche.

Le principali applicazioni riguardano strutture e recipienti per apparecchiature chimiche, marine, scambiatori di calore, tubazioni di condensatori, attrezzature per galvanica, anodi e catodi di diverso tipo, recipienti in pressione, impieghi in edilizia e restauri conservativi, contenitori di prodotti alimentari, occhialeria, bigiotteria ed oreficeria.

Titanio basso legato:

Gruppo affine al CP dal quale si distingue per le diverse percentuali degli elementi alliganti e per le piccole aggiunte di Palladio (0,2%) e di nichel-molibdeno (0,8% Ni, 0,3% Mo) al fine di migliorarne la resistenza meccanica per il grado 12 (vedi tabella allegata) e la resistenza a corrosione in condizioni riducenti per il grado 7 e 11.

Titanio legato:

Comprende il gruppo più numeroso di leghe di interesse industriale ed in particolar modo le Ti-6Al-4V ( le uniche utilizzate per applicazioni motociclistiche) approfondite nella sezione finale dell’elaborato.

A titolo riassuntivo e di chiarimento delle sopra esposte classificazioni si riportano nella tabella seguente le alcune delle qualità di titanio legato e non legato di maggiore impiego industriale e reperibilità sul mercato.

Figura 3: Principali composizioni di titanio legato e non legato disponibili in commercio; contrassegnate in rosso le qualità sottoponibili a trattamenti termici (descritti più avanti). Le composizioni sono applicabili alle normative AMS, ASTM, DIN, EN, MIL-T, UNI, SAE.

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1.5. PRODUZIONE DEL TITANIO:

Si è già detto della notevole diffusione del titanio sulla crosta terrestre.

Tra i molti ossidi disponibili in natura gli unici utilizzati per l’estrazione del titanio metallico sono il rutilo, contenente il 93-96% di biossido di titanio (TiO₂) e presente in grandi quantità in giacimenti di Stati Uniti, Canada, Norvegia e Svezia e l’ilmenite, con tenori del 44-70% del composto FeTiO₃e disponibile in diverse spiagge sabbiose in India e Australia.

I processi industrialmente più diffusi per la preparazione del titanio metallico sono il KROLL e l’ HUNTER a cui si ne affiancano altri di minor diffusione.

Processi Kroll e Hunter:

Sono essenzialmente analoghi salvo per l’elemento riducente utilizzato.

La procedura per entrambi consiste nella riduzione del cloruro di titanio, preparato dal rutilo o dall’ilmenite.

Una prima operazione di clorurazione del minerale a 800°C porta al tetracloruro di titanio.

Questo viene quindi purificato per distillazione e poi ridotto con magnesio metallico (processo Kroll) o sodio metallico (processo Hunter) a 900°C in atmosfera di elio.

Il metallo così ottenuto è in polvere o fiocchi (questa seconda forma è generalmente chiamata spugna di titanio per la sua porosità) e deve essere rifuso in forni elettrici ad arco in atmosfera di argon (noti come impianti VAR, Vacuum Arc Remelting, inizialmente sviluppati per la produzione di acciai di qualità superiore) per ottenere il lingotto).

Figura 4: Schema di funzionamento di forno fusorio VAR;

Da questo si ottengono poi i vari semilavorati con le tradizionali tecnologie di deformazione plastica a caldo con relativi eventuali trattamenti termici intermedi di rilassamento del materiale.

Problema principale di entrambi i processi è l’elevato contenuto residuo di cloro (dell’ordine dello 0,12-0,15%) che rappresenta un’impurità nel titanio creando problemi soprattutto nel caso di successiva frantumazione per sinterizzazione.

Alternative a questi due processi sono l’ELETTROLISI IN SALI FUSI e il processo MHR.

Pur presentando alcuni specifici vantaggi questi ultimi non hanno avuto un importante sviluppo industriale a causa degli elevati costi e non verranno quindi presi in esame.

Per una loro completa descrizione si può fare riferimento al sito del corso: http://www.ing.unitn.it/%7Ecolombo/polveri_titanio/polveri_titanio.htm

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1.6. FORNITURA DEL TITANIO:

Il titanio è presente sul mercato in diverse forme di semilavorati, dai quali poi vengono realizzati i componenti veri e propri.

A seguito è riportato l’elenco delle varie forme di prelavorati disponibili con le relative dimensioni e costi, confrontati con quelli di acciaio inox e lega di alluminio.

Figura 5: Principali forme di prelavorati commerciali e relativo costo;

I valori riportati risalgono alle quotazioni del 1994 e sono relativi alla lega Ti6Al4V sottoposta a normale trattamento di ricottura (che sarà descritto più avanti).

Sono quindi da ritenersi puramente indicativi ma danno comunque una chiara idea di come il costo del titanio sia elevato rispetto anche alle pur pregiate leghe di alluminio e magnesio.

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1.7. LAVORAZIONI DEL TITANIO:

Oltre all’elevato costo uno dei principali problemi legati alla produzione di componenti in titanio è quello della tendenza all’infragilimento di questo materiale alle alte temperature tipiche di molti processi lavorativi (fusione, saldatura, forgiatura e formatura a caldo in genere).

Questo ne ha estremamente limitato lo sviluppo industriale fino alla messa a punto di specifiche procedure e tecnologie che oggi consentono di produrre oggetti di titanio di qualunque geometria e dimensione con standard qualitativi tipici dei più comuni e “semplici” acciai.

Si analizzano quindi a seguito le tipologie di lavorazione di più comune impiego industriale sottolineandone le specificità legate al materiale in esame.

· Saldatura (welding)

Processo di collegamento fisso che consiste nel portare a fusione il metallo di base o uno analogo di riporto al fine di ottenere un cordone di unione tra i due componenti.

La saldatura di componenti in titanio risulta decisamente più complessa rispetto a quella di acciaio e leghe di alluminio e in generale non può essere eseguita in condizioni ambientali, nemmeno dopo l’accurata pulizia del materiale.

Quest’ultima viene comunque effettuata e prevede un costoso ciclo operativo di scrostamento in bagni di sali o con sabbiatura, sgrassatura (in vapore acqueo, vapori di toluene o solventi alcalini) e rimozione degli ossidi superficiali (la cui esecuzione può avvenire in diversi modi che non verranno qui descritti).

Queste problematiche sono dovute all’elevata reattività a caldo del materiale con l’ossigeno, l’azoto e l’idrogeno presenti in aria e che ad alte temperature potrebbero inserirsi nel reticolo cubico della fase beta ostacolandone il successivo ritorno alle struttura esagonale alfa durante il raffreddamento con possibile insorgere di criccature.

Figura 6: Fenomeno dell’infragilimento a caldo del titanio, tipico nei processi di saldatura condotti in atmosfera non controllata. Nella sequenza in basso l’impurità (atomo di ossigeno, azoto o idrogeno) comporta la rottura dei legami metallici tra gli atomi di titanio durante il raffreddamento.

Al di sopra della temperatura di transizione di fase (883°C per il titanio puro, anche oltre i 900°C per le forme legate) la microstruttura del materiale diventa cubica per ritornare poi esagonale durante il raffreddamento (sequenza in alto nel disegno sopra).

Se nella fase di riscaldamento il reticolo viene contaminato da atomi estranei (ossigeno, azoto o idrogeno) la struttura cubica semplice diventa cubica a corpo centrato.

Nel successivo raffreddamento l’atomo esterno (in rosso nel disegno sopra) ostacola il ritorno del titanio alla struttura esagonale, più compatta e incompatibile con la presenza dell’ulteriore nucleo.

La maggiore distanza che si viene a creare tra gli atomi di titanio può quindi portare alla rottura dei loro legami dando origine al tipico fenomeno dell’infragilimento a caldo.

Per ovviare a questi problemi si cerca di operare (quando possibile) in atmosfera controllata, generalmente in cabine stagne sotto un flusso di gas inerte (argon o elio) e si assicura un raffreddamento molto lento della zona termicamente alterata (con questo termine si intende la zona del materiale di base sottoposta a temperature tali da indurne trasformazioni ,microstrutturali), in modo da limitare l’insorgenza di microstrutture martensitiche che ne comporterebbero l’infragilimento.

Figura 7: Tipico macchinario per la saldatura di componenti in titanio di medio piccole dimensioni. Si notano le bombole per l’immissione del gas inerte a destra e le due bocche di accesso per le braccia dell’operatore, isolate dalle guaine in gomma nere. La saldatrice vera e propria si trova ovviamente già all’interno della macchina.

Qualora le dimensioni dei componenti o la loro collocazione non consentissero l’uso di cabine si dovrà assicurare un’abbondante flusso di gas anche durante il raffreddamento fino a temperature di sicurezza (generalmente sotto i 540°C la reattività del titanio non è considerata critica).

I tecniche comunemente usate sono le saldature ad arco TIG, MIG, PAW che sono brevemente descritte a seguito.

Il TIG (Tungsten Inert Gas) è quello adoperato con maggiore frequenza.

Figura 8: Saldatura TIG: l'elettrodo (blu) è coassiale alla torcia (rosso) e tra i due fluisce il gas inerte (verde) che protegge il bagno di fusione e la ZTA. Il materiale d'apporto (giallo) è costituito da una barretta a parte.

Per spessori compresi tra i 2.5 e 7mm si utilizza materiale d’apporto con le opportune cianfrinature ricavate nel materiale di base mentre per spessori inferiori si può operare senza materiale d’apporto.

Il processo MIG (Metal Inert Gas) si usa invece per lamiere di almeno 3.5mm e diventa più rapido e quindi economico del TIG per spessori superiori ai 7mm.

Figura 9: Saldatura MIG: in questo caso il materiale d’apporto (sempre in giallo) scorre coassiale all’elettrodo.

L’uso del materiale d’apporto è riservato a queste due tecniche.

Per quanto riguarda la sua scelta si può dire che in generale per i titani non legati si usano delle leghe di tipo alfa, che conferiscono maggiore tenacità al giunto, mentre per le leghe si preferisce optare per materiali quanto più possibile simili a quello di base.

Infine il PAW (Plasma Arc Welding), o saldatura al plasma è caratterizzata da una maggiore velocità operativa rispetto al TIG ed è utilizzato per spessori di oltre 13mm.

Figura 10 Saldatura PAW: l’elettrodo (blu) è avvolto da un gas inerte che assieme ad esso origina il plasma (celeste). Un secondo flusso di gas inerte (verde) protegge invece il bagno di fusione e la ZTA.

Data la minor precisione di questo tipo di saldatura si possono effettuare dei “ritocchi” con tecnica MIG laddove analisi visive o con liquidi penetranti ne rilevassero la necessità.

In ogni caso al termine delle operazioni si prevede una distensione in forno che oltre a scongiurare la possibilità di propagazione di cricche nel giunto aumenta la tenacità complessiva del pezzo.

Il principio di base di funzionamento della saldatura ad arco elettrico è ben noto e utilizzato in diversi ambiti industriali (vedi forni ad arco per acciai e leghe leggere).

Imponendo una elevata differenza di potenziale tra un elettrodo (mosso a mano dall’operatore o automaticamente) e il componente da saldare e innescando l’arco (cioè avvicinando le due parti in modo da creare un breve cortocircuito) si può generare un passaggio di corrente elettrica attraverso il mezzo gassoso o liquido e la conseguente generazione di potenza elettrica.

Quello che si realizza è in realtà un flusso incrociato di elettroni e particelle neutre il cui urto porta alla formazione di nuovi elettroni e ioni positivi.

Il processo così si autoalimenta aumentando la corrente circolante e la temperatura fino a generare una colonna di plasma (e cioè un flusso di gas ionizzato alla temperatura di oltre 5000°C) che viene mantenuto costante da un generatore di corrente a monte.

Il calore così generato porta a fusione il materiale consentendo di realizzare il cordone di saldatura che ha seconda dei casi può essere l’elettrodo stesso (che sarà quindi di tipo consumabile), il materiale di base o un terzo elemento interposto tra i due.

· Lavorazioni ad utensile (machining):

Risultano indispensabili ogni qualvolta siano richieste elevate finiture superficiali e strette tolleranze dimensionali, oltre che, ovviamente, nei casi in cui non siano altrimenti realizzabili particolari geometrie o nelle fasi di prototipazione (che va eseguita in tempi brevi e a bassi costi fissi).

Uno dei problemi storici della lavorazione ad utensile del titanio è la notevole infiammabilità in aria delle particelle fini (problema questo comune anche alle leghe di magnesio).

Per scongiurare la combustione o addirittura l’esplosione si ricorre in genere a potenti impianti di raffreddamento ad acqua o ad olio e si evitano pericolosi accumuli di truciolo.

Un interessante approfondimento sui problemi di sicurezza legati alla produzione di titanio è disponibile sul sito del corso alla pagina: www.ing.unitn.it/~colombo/polveri_titanio/testo.htm

Altro tipico problema nella lavorazione meccanica del titanio è la bassa conducibilità termica, soprattutto per le forme legate, che sfavorendo la dissipazione del calore porta ad un notevole aumento della temperature con i conseguenti problemi di microfusione e reattività a caldo già menzionati.

A questo si pone generalmente rimedio utilizzando lubrificanti a basso tenore di cloro (meno contaminanti anche se non particolarmente efficienti), garantendo una costante ed intensa asportazione degli strati superficiali contaminati ed ovviamente diminuendo le velocità di taglio.

Proprio quest’ultimo è uno dei più usati parametri per caratterizzare la lavorabilità ad utensile di un materiale.

Il valore numerico assegnato al parametro di lavorabilità si esprime in un’opportuna scala in cui il valore 100 si riferisce alla massima velocità di lavorabilità dell’acciaio AISI B1112 mentre il valore 0 è riferito al caso limite di lavorabilità nulla.

In questa scala il titanio assume valori paragonabili a quelli di acciai legati ed inox e compresi tra 12 e 40 (vedi tabella sotto) risultando in genere più difficile da lavorare nelle forme più legate.

Figura 11: Lavorabilità dei principali materiali metallici di impiego strutturale;

Altro problema tipico nella lavorazione meccanica del titanio è la notevole deflessione del componente sotto la spinta dell’utensile, a causa del basso modulo elastico del materiale.

Questo impone l’uso di sistemi di fissaggio estremamente solidi le previsione in fase di progettuale di tolleranze superiori a quelle conseguibili con gli acciai.

Per quanto riguarda gli utensili è invece richiesta una più severa affilatura data la suscettibilità del titanio al danneggiamento superficiale.

Questo comporta quindi una minor vita media degli utensili e l’aumento dei costi di lavorazione.

I componenti sono generalmente sottoposti a lavorazione meccanica allo stato ricotto e solo dopo ad eventuali solubilizzazione e invecchiamento che ne determinerebbero una eccessiva durezza e resistenza al taglio.

· Forgiatura (forging):

Si realizza pressando a caldo lingotti o lastre di materiale spesso allo stato rinvenuto tra due stampi azionati da una pressa.

La formatura del componente, che generalmente si esegue in più passaggi, avviene quindi con intensa deformazione plastica, andando ad incrementare la resistenze a creep e a fatica del materiale grazie per strain –hardening (fenomeno noto in metallurgia anche come incrudimento e che consiste in un accumulo di dislocazioni nel reticolo cristallino con conseguente “irrigidimento” della struttura)

Proprio grazie alle già descritte proprietà di duttilità questo materiale, (e in particolar modo le leghe in fase beta, decisamente critiche per la saldatura), si presta abbastanza bene a questo tipo di processo permettendo di realizzare componenti di elevate dimensioni e forme complesse.

Si distinguono generalmente due tipologie di processo, una convenzionale che utilizza leghe bifasiche (e conferisce una microstruttura equiassica alfa in matrice beta) e la forgiatura da fase beta (da cui si ottiene una microstruttura aciculare alfa dalla superiore resistenza a creep).

Tra le tipiche composizioni usate la Ti6Al4V, la cui frazione di fase beta viene mantenuta predominante (non meno del 70%), in modo da sfruttarne le doti ottime di forgiabilità.

Il trattamento termico preventivo, che influenza la microstruttura finale del materiale e quindi le sue proprietà, deve consentire una buona deformabilità alle temperature di processo che possono variare dai meno di 100 °C per la rullatura o martellatura di piccoli componenti (come bulloneria e raccorderia) fino ai quasi 1000°C della forgiatura isoterma, generalmente utilizzata per pezzi di maggiori dimensioni.

Temperature e tempi di trattamento andranno quindi di volta in volta ottimizzati in funzione sia delle dimensioni del componente che delle caratteristiche finali richieste e possono prevedere sia la semplice ricottura che le successivi solubilizzazione e invecchiamento (vedi terza sezione per un’analisi più dettagliata).

Le maggiori difficoltà riguardano al solito l’elevata reattività del titanio alle alte temperature con il conseguente pericolo di infragilimento e criccature.

Come nel caso della saldatura questo problema è gestito eseguendo le operazioni in atmosfera inerte ed ambienti estremamente puliti.

In aggiunta a ciò, data la criticità del contatto materiale-stampo alle pressioni in gioco, si rende comunque necessario l’utilizzo di lubrificanti, spesso a base di grafite.

Temperatura di processo e raffreddamento e velocità di deformazione sono quindi i principali parametri di processo, da cui ne dipende in buona parte la buona riuscita.

Gli intervalli tipici di temperatura sono generalmente diversi per forgiatura convenzionale o da fase beta (per cui sono previsti aumenti di 30-70°C) e la scelta dell’esatta temperatura è inoltre influenzata dal tipo di stampi utilizzati che possono essere aperti (open die forging), chiusi (closet die forging) o a temperatura controllata (hot die o isotermal forging).

Nei primi si cerca generalmente di compensare il maggiore flusso termico per convezione durante lo stampaggio con temperature iniziali superiori e velocità di deformazione relativamente elevate.

Nel caso di stampi chiusi si possono utilizzare temperature inferiori o abbassare le velocità. Chiaramente, a parità di altri parametri, più si rallenta il processo e più si dovranno alzare le temperature iniziali di stampo e materiale per garantire una buona processabilità anche nelle fasi finali.

Per quanto riguarda infine le modalità di preriscaldo del materiale questo può avvenire in forni a induzione, elettrici o a metano, per effetto joule (favorito dall’elevata resistività del titanio) come per gli altri metalli di comune impiego strutturale.

Nel caso inoltre di stampi closet-die si può ricorrere all’uso di rivestimenti ceramici depositati con tecniche spray sulle pareti interne del forno in modo da limitare la contaminazione del componente.

Questi ultimi possono inoltre avere funzione parzialmente lubrificante.

Alcuni esempi di temperature e tempi di trattamento utilizzati sono riportati nella terza sezione per la lega Ti6Al4V.

· Formatura (forming)

La formatura del titanio è in genere di più complessa esecuzione rispetto a quella degli acciai e delle leghe di alluminio e magnesio.

Nell’analisi di questo tipo di lavorazione è indispensabile distinguere tra formatura a freddo (cold forming, a temperatura ambiente e comunque inferiore ai 150°C) e formatura a caldo (hot forming, a temperature superiori ma non oltre i 815°C), che come vedremo presenta in genere meno problemi e diventa addirittura indispensabile per operazioni di intensa deformazione.

I motivi che spingono comunque all’utilizzo della formatura a freddo sono essenzialmente la possibilità di utilizzare macchinari comuni ed economici e il vantaggio di ottenere miglioramenti delle proprietà meccaniche grazie all’incrudimento indotto nel materiale.

Per contro richiede potenze maggiori alle presse, lavorazioni in più passate (e quindi tempi più lunghi, tipicamente di 30minuti contro i 5 di un ‘analoga operazione a caldo), maggiori pressioni di contatto oltre a manifestare alcune specifiche criticità del materiale in esame.

Il titanio infatti se deformato a freddo si dimostra estremamente sensibile all’intaglio, è soggetto ad un notevole ritiro elastico dopo rimozione del carico e presenta una marcata variabilità del comportamento a snervamento durante la deformazione (per effetto dei noti fenomeni di strain hardening ed effetto Bauschinger per carichi alternati di trazione e compressione).

Questo rende estremamente difficile prevederne comportamento in fase di progetto e limita l’impiego dei processi a freddo a lavorazioni non estremamente severe.

Con l’aumentare delle temperature di processo pur venendo a decadere i vantaggi sopraccitati si risolvono i problemi di ritorno elastico e incrudimento grazie all’effetto distensivo del calore.

Questo consente inoltre di ridurre il numero di operazioni e di ridurre le pressioni in gioco con gli ovvi vantaggi di realizzazione e mantenimento dei macchinari.

Le temperature ottimali per la formatura a caldo sono attorno ai 540°C e comunque come già accennato non superiori agli 815°C a cui si ha un deterioramento delle proprietà meccaniche del materiale (esistono in realtà formature eseguite al di sopra di questo limite che richiedono però particolari accorgimenti e prendono il nome di formatura superplastica, che verrà descritta più in dettaglio nel paragrafo successivo).

Va tenuto conto che in alcuni processi si possono raggiungere le tipiche temperature di invecchiamento e quindi si potrebbe avere un decadimento delle proprietà acquisite con un eventuale ciclo di solubilizzazione e invecchiamento che andrà quindi rieseguito.

A queste temperature si rende inoltre necessario l’uso di macchinari che lavorino sottovuoto o in atmosfera inerte (generalmente argon) in modo da limitare i problemi legati alla più volte citata reattività a caldo del titanio.

Il riscaldamento del materiale può avvenire sia al di fuori della pressa (anch’essa comunque riscaldata) che direttamente nella pressa.

In quest’ultimo caso il calore è trasmesso dal macchinario a contatto del pezzo per conduzione e la pressatura avviene soltanto dopo il raggiungimento delle condizioni operative ottimali.

Le tipologie di deformazione plastica di interesse industriale sono molteplici ed hanno portato allo sviluppo di macchinari specifici per le diverse realizzazioni che non verranno qui esaminati.

· Formatura superplastica (SPF/DB)

La formatura con tecniche SPF/DB (Super Plastic Forming with Diffusion Bonding) è stata inizialmente sviluppata per il settore dell’aviazione militare.

Il duplice obbiettivo era quello di ottenere elevatissime proprietà meccaniche (quindi riduzione dei pesi) e di poter produrre componenti finiti estremamente complessi, evitando così le fasi di lavorazione meccanica o saldatura in coda alle tradizionali tecnologie di formatura, con conseguente riduzione dei costi.

Senza entrare nei dettagli fisici del processo basti dire che grazie alle particolari condizioni di deformazione indotte si riescono ad ottenere morfologie di grana estremamente fine (circa 10µm) ed uniforme e di quindi eccezionali proprietà di elasticità , resistenza meccanica (da cui il suggestivo termine superelasticità) e ottimo comportamento a creep e fatica alle alte temperature.

Per ulteriori informazioni si rimanda al sito del corso alla pagina: http://www.ing.unitn.it/~colombo/SUPERPLASTICITA/Presentazione.htm

Tra le leghe più utilizzate per questo tipo di lavorazione la solita Ti6Al4V grazie soprattutto alla già ottima morfologia di partenza.

Per quest’ultima alcuni dettagli operativi sono riportati nella terza sezione.

Le temperature tipiche di questo processo sono notevolmente superiori a quelle ottimali per la tradizionale formatura e variano tra gli 870 e 925°C con le conseguenti difficoltà di reattività a caldo del materiale di cui si è già parlato.

Questo crea anche maggiori problemi tecnologici nella realizzazione dei macchinari e per garantire un’efficiente lubrificazione senza contaminare i componenti.

Si deve anche considerare che eventuali trattamenti di invecchiamento precedenti alla formatura superplastica possono perdere gran parte della loro efficacia e andranno eseguiti soltanto dopo la lavorazione (o comunque eseguiti una seconda volta).

· Fusione (casting):

La realizzazione di componenti in titanio per fusione risulta particolarmente complessa non solo a causa dell’elevata reattività del titanio alle altissime temperature (che impone l’uso di costosi impianti sottovuoto) ma anche per la sua elevata temperatura di fusione (che può essere superiore ai 1600°C), che se da un lato conferisce ottima resistenza termica dall’altro rende questo materiale poco adatto a realizzazioni di fonderia (come del resto accade per l’acciaio ) rispetto alle più diffuse leghe di alluminio e magnesio.

La necessità di stampi dall’elevatissima stabilità termica ha imposto lo sviluppo di complesse procedure per la realizzazione di stampi in materiale ceramico (noti come processi investment-casting o a cera persa), schematicamente descritto nella figura sotto.

Figura 12: Processo Investment Casting per la produzione di stampi ceramici; nel caso in esame la realizzazione di un “grappolo” di 6 elementi di piccole dimensioni. Le fasi da (a) a (g) riguardano la produzione della stampo ceramico, solo alla fase (h) avviene la colata del titanio fuso.

Si parte da una matrice in alluminio scomponibile (che riproduce in negativo la forma del componente) in cui viene versata, dopo accurata pulitura, della cera fusa, fase (a) nel disegno sopra.

Quest’ultima una volta solidificata viene estratta e rivestita di materiale ceramico con lunghe sequenze di immersioni e asciugature ( dalla fase (d) alla fase (f)) la cui accurata definizione risulta delicata ed essenziale per conferire allo stampo qualità superficiali e resistenziali adeguate.

Scaldando quindi il tutto si porta a fusione e si estrae la cera, fase (g), riottenendo quindi il negativo in ceramica.

Questo prima di colare il titanio fuso, fase (h), viene inserito in un contrastammo metallico riempito in sabbia in modo da compensare in parte la spinta metallostatica del titanio ed evitandone la rottura.

Tale procedura, pur complessa, lenta e di conseguenza costosa, garantisce eccellenti finiture superficiali, una corretta solidificazione del componente grazie alle caratteristiche isolanti dei materiali ceramici e può essere utilizzata per la realizzazione contemporanea di più componenti di piccole dimensioni partendo da strutture in cera connesse a grappolo, come mostrato nell’esempio sopra.

In generale per componenti ottenuti con processi di fusione correttamente eseguiti presentano tenacità a frattura e resistenza a corrosione paragonabili a quelli ottenuti per deformazione plastica.

Rispetto a questi ultimi si registrano però in genere proprietà meccaniche di resistenza a trazione e snervamento leggermente inferiori.

Ulteriori miglioramenti sono comunque conseguibili con tecnologie di compattazione isostatica a caldo che porta alla riduzione della porosità interna ma che risulta tecnologicamente complessa e attualmente molto costosa.

Questi aspetti la rendono quindi una tecnologia di difficile applicazione e di scarsa diffusione industriale, prevalentemente limitata al settore aerospaziale e aeronautico per la realizzazione di componenti mobili di grosse dimensioni come ad esempio componenti per turbine o compressori, anche se non mancano alcune realizzazioni di nicchia in altri settori più tradizionali, come si vedrà nella seconda sezione.

Per alcuni esempi aeronautici si rimanda invece al sito del corso, alla pagina:

http://www.ing.unitn.it/~colombo/Leghe_di_titanio_e_le_applicazioni_aereonautiche/frontespizio.htm

· Sinterizzazione (sintering)

Un interessante alternativa alla fusione è la sinterizzazione che presenta il duplice vantaggio di poter ottenere componenti finiti e di abbassare notevolmente le temperature di processo pressando a caldo polveri fini di titanio.

Con questo processo si inducono fenomeni diffusivi tra le superfici a contatto e quindi la formazione di legami metallici tra le particelle senza necessità di portare a completa fusione il materiale.

Per contro si crea però una notevole porosità residua tra le particelle con conseguente decadimento delle proprietà meccaniche.

Questa tecnologia, inizialmente sviluppata per l’acciaio (che come il titanio presenta temperature di fusione molto elevate) al fine di ottenere componenti finiti con geometrie complesse e spessori sottili, è comunque in costante fase di sviluppo proprio al fine di ridurre la porosità di prodotti finiti senza perdere l’iniziale vantaggio economico.

Uno dei principali problemi nella sinterizzazione è legato all’ottenimento delle polveri che devono essere estremamente fini e pure (soprattutto la presenza di cloro può ostacolare i processi diffusivi in fase di pressatura a caldo).

Grani grossi produrrebbero infatti una limitata superficie totale di contatto rallentando e limitando i fenomeni diffusivi mentre la presenza di impurezze ostacolerebbe l’instaurarsi di solidi legami metallici tra gli atomi di titanio dei diversi grani.

Si accenna soltanto ai diversi processi disponibili: il più economico prevede la frantumazione della spugna di titanio di prima fusione ma non garantisce bassi tenori di cloro, mentre migliori risultati si possono ottenere tramite solidificazione rapida (e quindi richiede un’ulteriore processo fusorio) con sistemi centrifughi in atmosfera inerte.

Sotto sono riportati gli schemi di due tipologie di impianti di atomizzazione.

Figura 14: Schemi di impianto di atomizzazione per la produzione di polveri di titanio per sinterizzazione;

Maggiori informazioni e un approfondimento sull’innovativa tecnologia di LASER FORMING sono disponibili sul sito del corso alla pagina: www.ing.unitn.it/~colombo/polveri_titanio/testo.htm

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1.8.TRATTAMENTI TERMICI E RIVESTIMENTI DEL TITANIO:

Il titanio e più in particolare le leghe dalla famiglia alfa + beta può essere trattato termicamente al fine di migliorarne le proprietà tecnologiche.

Per tali operazioni sono generalmente necessari forni sofisticati, in grado di operare sotto vuoto o dotati di controllo dell’atmosfera in modo da controllare l’elevata reattività a caldo del titanio con idrogeno, ossigeno e azoto.

La contaminazione da parte di questi ultimi a temperature elevate porta in genere alla comparsa di fenomeni di infragilimento e criccature analoghi a quelli visti per saldatura e forgiatura a caldo.

Senza entrare nei dettagli del complesso argomento dei trattamenti termici se ne darà a seguito solo una semplice classificazione facendo riferimento a tre principali tipologie:

· Trattamenti di ricottura:

Consistono in un riscaldamento del materiale al di sotto della temperatura di transizione alfa-beta (883°C per il titanio puro e superiore nelle forme legate) e non comportano quindi modificazioni nella microstruttura del materiale.

Hanno invece l’obbiettivo di attivare termicamente dei processi di riassestamento del reticolo cristallino deformato e consentendo di rimuovere le tensioni accumulate durante i processi di formatura per deformazione plastica.

La ricottura viene generalmente eseguita sui prelavorati (spesso ottenuti per estrusione, forgiatura, laminazione etc) in modo da “addolcire” il materiale prima delle successive lavorazioni secondarie ma può anche essere effettuata come trattamento a termine.

In questo caso le proprietà meccaniche non saranno quelle massime ottenibili con il titanio ma si disporrà comunque di una elevata duttilità.

· Trattamenti di bonifica (tempra + invecchiamento):

Comportano delle trasformazioni di fase: si effettuano riscaldando il materiale al di sopra della temperatura di transizione alfa-beta con una permanenza di 10-30 minuti nel campo di stabilità bifasico (alfa+beta) o monobasico (beta) a seconda dei casi.

Il successivo rapido raffreddamento (noto come TEMPRA o SOLUTION TREATMENT ed eseguita in acqua, olio o aria) fa si che una parte della fase beta metastabile non abbia il tempo di ritornare alla configurazione stabile alfa rimanendo “intrappolata” nel reticolo cristallino anche a temperatura ambiente.

La percentuale di fase beta residua può essere variata a piacimento (gestendo temperature, tempi di permanenza e velocità di raffreddamento) ed in generale un suo aumento comporta miglioramenti di resistenza a trazione e snervamento e modulo elastico, a prezzo di una minore duttilità.

L’effetto combinato della presenza di fase beta e delle notevoli tensioni residue generate dal trattamento possono però rendere estremamente fragile il componente che viene quindi nuovamente riscaldato (rigorosamente al di sotto la temperatura di transizione) e raffreddato in modo lento in quello che viene generalmente indicato con trattamento di INVECCHIAMENTO o AGING.

Dato che i due trattamenti (tempra+invecchiamento o più spesso in letteratura solution treatment+aging) sono necessariamente da eseguirsi in coppia si fa generalmente riferimento al termine BONIFICA per identificare l’intero processo.

Con quest’ultimo si riescono ad ottenere ottime proprietà meccaniche (resistenza a trazione superiori ai 1000Mpa) con comunque buone doti di duttilità.

I trattamenti superficiali, a differenza di ricottura e bonifica, non modificano direttamente le caratteristiche morfologiche o microstrutturali del materiale di base ma si limitano ad alterarne le caratteristiche nella zona superficiale ricoprendo quest’ultima con materiali di riporto dalle specifiche caratteristiche.

Questo consente di raggiungere elevatissime proprietà limitatamente alla zona dove queste sono richieste, senza la necessità di modificare l’intero massa del componente.

Si vedranno a seguito due tipologie di trattamenti superficiali di notevole interesse industriale: i PVD, utilizzati per ottenere elevata durezza superficiale ed i TRATTAMENTI ANTIOSSIDANTI ovviamente finalizzati ad incrementare la resistenza a corrosione del materiale.

Rivestimenti PVD (Phisical vapour Deposition):

Inizialmente sviluppato per il settore aerospaziale quella dei rivestimenti PVD è ormai diventata una tecnologia di uso industriale (si parla sempre comunque di componentistica ad elevato valore aggiunto) ed ha l’obbiettivo di aumentare notevolmente le caratteristiche del materiale fino a strati immediatamente inferiori alla superficie (lo spessore interessato varia generalmente tra i 20 e i 120μm).

Senza entrare nei dettagli (descritti in specifici lavori disponibili nel sito del corso alla pagina: http://www.ing.unitn.it/%7Ecolombo/RIVESTIMENTI_DA_FASE_VAPORE/frontespizio.htm) basti dire che questo procedimento viene eseguito in camere ermetiche a temperature di circa 400°C in cui una scarica elettrica è fatta passare attraverso un gas rarefatto (le pressioni usate sono generalmente di 0.00003 bar).

Queste condizioni consentono di realizzare un arco elettrico tra il componente da rivestire (che funge da polo positivo) ed il materiale di riporto (polo negativo) in genere inserito nel forno sotto forma di pastiglie.

Con differenze di potenziale di 250V e correnti prossime agli 80A si determina la vaporizzazione della pastiglia (favorita anche dal vuoto spinto generato nella camera) e la conseguente migrazione dei vapori verso la superficie del componente da rivestire per effetto del campo elettrico.

L’intuibile raffinatezza del processo e la necessità di avere già sul componente di partenza ottime caratteristiche meccaniche rendono però questi rivestimenti molto costosi e quindi utilizzati solo quando strettamente necessario (salvo casi particolari come ad esempio le canne delle forcelle di alcune moto sportive di serie dove spesso si ricerca anche l’esclusività estetica conferita dalla tipica colorazione oro dei rivestimenti TiN).

I composti più comunemente utilizzati sono il nitruro di titanio TiN (ben noto ai motociclisti per l’appena citata applicazione ma impiegato anche in diverse componenti in titanio del motore), il carbonitruro di titanio TiCN, il nitruro di titanio (anche questo usato per steli forcella, ma di colore nero lucido, vedi famiglia Suzuki GSX-R nelle versioni successive al 2003), il nitruro alluminio AlTiN, il nitruro di cromo CrN ed infine il nitruro di zirconio ZrN.

Con questi è possibile aumentare la resistenza all’usura d’attrito e di adesione (che come già accennato sono relativamente scarse nel titanio allo stato puro o legato) ottenendo durezze prossime ai 1600 Hv e portando anche ad apprezzabili incrementi di resistenza alla corrosione acida.

Queste caratteristiche ne fanno una delle tecnologie indispensabili nella produzione di componenti in lega di titanio soggetti a strisciamento (vedi bielle e valvole), che altrimenti andrebbero incontro ad una rapidissima usura generando tra l’altro surriscaldamenti per attrito inaccettabili.

Uno dei requisiti fondamentali per l’applicazione di tali rivestimenti, oltre ovviamente all’adesione dello strato superficiale, è quello di poter disporre di un metallo di base sufficientemente duro e resistente da sostenere il sottile e fragile riporto.

Proprio per questo le caratteristiche di basso modulo elastico e durezza del titanio vanno minimizzate con opportuni pretrattamenti termici e superficiali in modo da scongiurare possibili frantumazioni del rivestimento.

Tra i tipici componenti motociclistici in titanio sottoposti a rivestimenti PVD troviamo, oltre alle gia citate canne forcella, le superfici interne di testa e piede di biella (montati su perno manovella e spinotto con i relativi cuscinetti a rotolamento, nei motori a 2 tempi, o a strisciamento, nei motori a 4 tempi), gli steli delle valvole (che strisciano con moto alterno nelle relative sedi), i piattelli per le molle valvola (a rischio di erosione da parte della molla nelle zone di contatto), alcuni componenti del pacco frizione, mozzi ruota e bulloneria speciale.

Queste e altre componenti saranno dettagliatamente esaminati nella seconda sezione dell’elaborato.

· Rivestimenti antiossidazione:

L’elevata reattività a caldo del titanio ne compromette la resistenza a corrosione.

Mentre infatti a temperatura ambiente lo strato si ossido che si forma in superficie è compatto e stabile a temperature superiori ai 400°C circa questo comincia a dissolversi andando a formare un composto a base di ossidi di titanio e alluminio poroso non protettivo.

Per ovviare a questi problemi sono stati sviluppati specifici processi di rivestimento antiossidante che ne garantiscono l’integrità a temperature superiori.

Questo tipo di tecnologia risulta in genere meno sofisticata e quindi più economica rispetto ai rivestimenti PVD descritti in precedenza, come dimostra il loro utilizzo da parte del costruttore giapponese Honda per la fabbricazione di bielle in titanio a “basso” costo per la produzione di serie (vedi seconda sezione).

Una dettagliata descrizione di questi processi per le leghe intermetalliche basate sul composto TiAl è disponibile sul sito del corso: http://www.ing.unitn.it/%7Ecolombo/OssidazioneTiAl/index.htm

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SEZIONE SECONDA: il titanio nel motociclismo

In questa seconda sezione dell’elaborato si cercherà di fare un dettagliato resoconto sullo stato dell’arte dell’impiego delle leghe di titanio nella realizzazione di componenti motociclistici, analizzando tutta la componentistica di motore e ciclistica realizzabile con questo pregiato materiale.

A questo fine si farà riferimento alle tecnologie utilizzate nelle competizioni, ai pochi componenti impiegati nelle produzioni di serie ma soprattutto al ricco mercato dell’after market, alimentato sia da piccole realtà artigianali che da aziende di importanza internazionale specializzate nella lavorazione di questo materiale.

Tra queste quella che vanta maggiore esperienza nel settore della componentistica motociclistica è certamente la bolognese Poggipolini di cui, data la massiccia presenza sul mercato, si propone una breve presentazione prima di cominciare la descrizione dei vari componenti.

2.1.POGGIPOLINI S.R.L.

La ditta italiana, con sede a S.Lazzaro di Savena in provincia di Bologna, è specializzata nella progettazione, realizzazione e sviluppo di componenti in lega leggera ed acciaio inox ed opera nei settori navale, aeronautico, automobilistico e, appunto, motociclistico con certificazione UNI EN ISO 9002, TUV, DNV.

Del gruppo Poggipolini fa inoltre parte il celebre marchio NCR (ben noto agli appassionati per i numerosi successi ottenuti nel campionato mondiale Superbike con l’omonimo Team) la cui decennale collaborazione ha portato allo sviluppo di un grandissimo numero di componenti per moto da competizione.

L’attività del gruppo ha inizio nel 1950, anno di fondazione da parte di Calisto Poggipolini.
L’utilizzo delle innovative leghe leggere a base di titanio e alluminio comincia invece negli anni settanta per assecondare l’attività dei figli nelle gare di motocross.

La felice intuizione delle enormi potenzialità di sviluppo di questi materiali, ed in particolare del titanio hanno portato l’azienda, oggi presieduta da Stefano e Marco Poggipolini, a divenire una importante realtà a livello internazionale in settori altamente tecnologici come quello nautico e aeronautico e a raggiungere gli elevati standard qualitativi richiesti dalle certificazioni ISO 9002, TUV e DNV.

Via Emilia 262 - 40068 San Lazzaro di Savena (BO) Italy
Tel. +39 051 6256090 - 6258160 Fax. +39 051 6257084

Nei settori auto e moto Poggipolini è da diversi anni fornitore ufficiale di prestigiosi marchi come Ferrari, Ducati, Suzuki, NCR nelle competizioni di F1, motomondiale e superbike, oltre a

rappresentare uno dei più noti e riconosciuti punti di riferimento per tutti i preparatori di auto e moto che vogliano incrementare le prestazioni dei propri mezzi con componenti di assoluta qualità e affidabilità.

Nel corso del 2003 il gruppo è inoltre divenuto proprietario al 75% del marchio NCR (brevemente presentato a seguito), a cui era del resto già legato da molti anni di intensa collaborazione, legittimando ancor più il suo ruolo di primaria importanza nel settore delle due ruote.

Attualmente Poggipolini conta 50 dipendenti ed un’area industriale sviluppata su una superficie di 5000 metri quadrati.

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2.2.NCR

NCR nasce nel 1969 come acronimo di Nepoti Caracchi Racing, scuderia che diventerà sinonimo di sopraffini bicilindrici Ducati da competizione grazie alle numerosissime vittorie in campo internazionale.

Tra queste non si può non ricordare lo storico successo di Mike Hailwood (con l’appoggio di Fabio Taglioni, Franco Farnè e, appunto, la NCR) al Tourist Trophy del 1978 che consegnò alla casa Bolognese il primo di una lunga serie di titoli mondiali, allora assegnato in prova unica per le gare riservate alle derivate di serie.

Figura 15: Pubblicità celebrativa per la vittoria del Campionato Mondiale TT1; il 2 giugno del 1978 l’inglese Mike Hailwood, sulla Ducati 900 “special” preparata dalla scuderia NCR, conquista il primo titolo iridato della casa Bolognese.

I successi della scuderia continuano anche con i più moderni motori Ducati 4 valvole dopo l’istituzione del Campionato Mondiale Superbike voluto dalle case giapponesi sul finire degli anni ottanta e raggiungono l’apice con la straripante vittoria del campionato 1991 con il texano Dough Polen su Ducati 888 Fast By Ferracci, che il team manager Virgilio Ferrari affida alla sapiente gestione tecnica degli ormai famosi Nepoti e Caracchi.

Attualmente il Team NCR rimane impegnato nel mondiale Superbike continuando a cogliere sensazionali risultati contro le ben più “ricche” scuderie ufficiali.

Ne sono una dimostrazione il terzo posto finale sfiorato nel 2003 dal pilota francese Regis Laconi e l’estrema competitività dimostrata durante tutta la stagione dalla Ducati 998 preparata del team bolognese.

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2.3. COMPONENTISTICA MOTORE

Verranno qui esaminati tutti gli organi interni ed accessori dei motori motociclistici a combustione interna per i quali è stato sperimentato l’utilizzo delle leghe di titanio.

Tra questi verrà data particolare importanza a bielle e valvole che hanno trovato notevole diffusione nei motori ad alta potenza specifica (anche su veicoli di serie) diventando un componente praticamente irrinunciabile nel campo delle competizioni.

· Biella:

Organo meccanico a forma di asta che collega il pistone (a cui è collegato tramite lo spinotto) al perno di manovella dell’albero a gomiti.

Nella biella si distinguono generalmente:

- PIEDE DI BIELLA: ovvero l’estremità piccola “in alto” in cui viene inserito lo spinotto su bronzine (cuscinetti a guscio sottile a lubrificazione idrodinamica, noti anche come cuscinetti di strisciamento, utilizzati nei motori a 4 tempi) o cuscinetti a sfera (impiegati nei motori a due tempi data l’impossibilità di realizzare un circuito di lubrificazione nel carter pompa);

- FUSTO: è la parte centrale del componente, generalmente con sezione ad H (l’anima è nel piano del moto) o ad I (detta anche ad H rovesciata in cui l’anima è nel piano ortogonale a quello del moto) per aumentarne il momento d’inerzia;

- TESTA DI BIELLA: l’estremità più grande (“in basso”) che garantisce il collegamento tra biella e perno manovella. Anche in questo caso il vincolamento dei due organi è garantito da bronzine o cuscinetti a rotolamento a seconda della tipologia del motore.

- CAPPELLO: elemento amovibile nelle bielle in due pezzi (in genere impiegate nei motori a 4 tempi), unito alla testa tramite bulloni passanti (soluzione più economica), mordenti (efficace ma costosa per le lavorazioni di filettatura della biella), prigioniere o ancora in pezzo unico col fusto (soluzione estremamente rara e costosa, in passato proposta da Ford e Renault).

Nel caso dei motori a due tempi con albero a gomiti composito (e quindi smontabile) la biella è realizzata in pezzo unico, senza quindi cappello scomponibile.

La biella è uno degli elementi più sollecitati in un motore ad elevate prestazioni a causa soprattutto delle elevate forze di pressione che si generano in camera di combustione e delle forze d’inerzia, proporzionali alla massa del manovellismo ed alle accelerazioni cui questo è sottoposto durante il moto, che divengono predominanti agli alti regimi di rotazione.

A differenza di quanto erroneamente suggerito dal nome (secondo la scienza delle costruzioni le bielle sono delle travi incernierate alle estremità sottoposte a carichi esclusivamente assiali), le bielle impiegate nei manovellismi dei motori alternativi sono soggette non solo a carichi alternati di compressione e trazione ma anche a flessione, a causa delle accelerazioni laterali imposte dal moto rototraslatorio del componente.

Proprio la gravosità delle condizioni di utilizzo ha spinto diversi costruttori a sperimentare fin dagli anni sessanta delle tecnologie alternative a quelle dell’acciaio che, se pur estremamente resistente ed affidabile, risulta pesante rispetto ad altre materiali più avanzati.

In passato sono state fatte diverse sperimentazioni sia in campo motociclistico che automobilistico per la realizzazione di bielle in lega di alluminio, ma senza grande successo.

Ricordiamo in particolar modo la discreta diffusione nei grossi bicilindrici paralleli inglesi degli anni sessanta, l’ampio uso sui monocilindrici per moto da speedway e le deludenti prove fatte da Parilla e Moto Morini su motori monocilindrici di piccola cilindrata (125-175cc).

Anche su motori di Formula1 si trova esempio di bielle in alluminio, nel 12 cilindri 3500 Lamborghini sviluppato all’inizio degli anni novanta.

Le più prestazionali bielle in materiali compositi a matrice metallica o di alluminio con fibre annegate sono al momento eccessivamente costose, richiedono tecnologie produttive estremamente raffinate e presentano alcuni problemi legati alla complessità dei fenomeni di deformazione termica.

Allo stato attuale per questo componente la vera alternativa all’acciaio rimane quindi il titanio che permette un notevole innalzamento dei limiti di rotazione del motore (circa 700 rpm nei motori da competizione rispetto ai migliori acciai) a parità di affidabilità grazie ad un risparmio di peso mediamente attorno al 30%.

Questo materiale infatti è ormai universalmente impiegato per bielle di motori ad elevatissima potenza specifica nei quali i componenti in moto alterno sono sottoposti a notevoli sollecitazioni inerziali.

Rispetto ad altri componenti (vedi valvole di scarico) i problemi di usura delle parti in strisciamento e le sollecitazioni termiche sono relativamente meno critici grazie all’azione delle bronzine su testa e piede di biella e alla relativa “lontananza” dalla camera di combustione (in questo caso la biella gode dell’effetto schermante del pistone che si fa carico delle maggiori sollecitazioni termiche).

Nonostante questo particolari attenzioni sono rivolte alle superfici interne di testa e piede di biella al fine di minimizzarne l’usura.

A questo proposito si ricorda che i cuscinetti a lubrificazione idrodinamica (le bronzine o cuscinetti a strisciamento precedentemente accennati) nella fase di avvio lavorano a diretto contatto con la sede e l’elevato coefficiente di attrito che si genera può indurre fenomeni di intensa usura adesiva.

Le composizioni di maggiore impiego sono la Ti6Al4V e le più economiche Timetal 62S e la recente Ti4Al2V0.1Si0.3REM che garantisce un’ottima lavorabilità a caldo ma esistono anche composizioni specificamente sviluppate per produzioni di grande serie come la Ti-64A definita da Honda per un motore di uso motociclistico.

Le bielle in titanio sono per lo più prodotte per forgiatura a più passate e quindi lavorate ad utensile ma per lotti estremamente limitati possono anche essere direttamente ottenute per lavorazione meccanica che, grazie alle ormai diffuse fresatrici a controllo numerico, garantisce tempi di realizzazione estremamente ridotti.

Figura 16: Sopra una biella in titanio di produzione Poggipolini finita e pronta al montaggio a confronto con il grezzo di forgia da cui è stata ricavata.

Le bielle progettate per un utilizzo esclusivamente agonistico, e quindi soggette a minori vincoli di carattere economico, sono generalmente sottoposte a costosi trattamenti superficiali nelle zone particolarmente soggette ad usura, in questi casi estremamente gravosa a causa degli elevati regimi di rotazione a cui sono utilizzati i propulsori.

Si ricorda infatti che per i moderni quattro tempi aspirati da competizione i tipici regimi di potenza massima oscillano tra i 16000 (per moto da GP di 1000cc) ai 19000 (F1) giri al minuto ma in passato motori di piccole cilindrate unitarie come le 125 GP degli anni ‘60 o la rivoluzionaria Honda NR500 GP a pistoni ovali portata in gara nel 1979 da Freddy Spencer, superavano abbondantemente i 20000 giri al minuto.

Il raggiungimento di queste severissime condizioni di utilizzo è reso possibile dai già citati rivestimenti superficiali che generalmente prevedono un ricoprimento a base di fosforo e bronzo per il piede di biella ed un rivestimento spray al molibdeno per la testa di biella, naturalmente limitati alla superficie interna a diretto contatto con le bronzine.

Molto diffusi anche i caratteristici rivestimenti al TiN per il piede di biella (vedi paragrafo 1.8 nella prima sezione), di cui si riportano sotto due esempi.

Figura 17: Piede di biella con rivestimento superficiale al TiN. A sinistra la biella artigianale con sezione ad H rovesciata (o ad I) fresata dal pieno dal tecnico Bolognese Achille Fabbri, specializzato nella lavorazione di acciai speciali e leghe leggere. A destra la biella forgiata con sezione ad H prodotta da Poggipolini.

La bassissima produttività e la complessità di questi processi rende però molto alto il costo di questi componenti e ne preclude quindi l’applicazione a produzioni su larga scala.

Di particolare interesse è lo studio condotto da Honda alla fine degli anni ‘80 per la realizzazione di bielle in titanio per motociclette di serie e che ha portato alla definizione di una nuova lega (la Ti-64A di cui si è precedentemente accennato) e specifici processi di produzione e trattamento che hanno consentito di ridurre il costo della biella finita al valore di circa un sesto rispetto al componente in titanio prodotto con le tecnologie normalmente impiegate nelle competizioni, con un risparmio di peso inferiore ma comunque stimabile in un 17% (anziché il 30%) rispetto all’acciaio.

I risultati sono quindi stati applicati alla produzione di bielle per il motore 4 cilindri, 4 tempi aspirato di 750cc che tra il 1988 ed il 1992 equipaggiava i modello RC30, versione stradale della moto vincitrice di due campionati mondiali Superbike con Fred Merkel.

Figura 18: Honda RC30, prodotta tra il 1988 ed il 1992, unica moto in commercio ad adottare bielle in titanio prodotte con tecnologie appositamente sviluppate dalla casa giapponese per la produzione di serie.

Queste le principali caratteristiche del componente in esame:

Lega Ti-64A: deriva direttamente dalla Ti6Al4V normalmente impiegata ma è caratterizzata da tolleranze di composizione più ampie per quanto riguarda il contenuto di carbonio, ossigeno, vanadio, ferro de idrogeno.

Figura 19: Composizione della lega Ti-64A sviluppata da Honda per la produzione su larga scala in confronto alla tradizionale Ti6Al4V.

Questo ha permesso di semplificare notevolmente le fasi di fusione e solidificazione del materiale, che nel caso del titanio sono particolarmente delicate ed influiscono in modo rilevante sul prezzo finale del componente.

Il materiale così ottenuto presenta una maggiore dispersione dei valori delle principali proprietà meccaniche che rimangono comunque confrontabili ed in alcuni casi superiori (vedi tabella sottostante) a quelli registrati per la lega Ti-6Al4V.

Figura 20: Proprietà meccaniche delle leghe Ti-6Al4V e Ti 64A a confronto. Le aree nere nel diagramma denotano la notevole dispersione dei valori registrati per la Ti-64A e sono dovuti alla maggior presenza di impurezze nella composizione della lega.

Processo produttivo: per contrastare la spiccata tendenza all’ossidazione del titanio, soprattutto alle alte temperature, i tecnici Honda hanno optato per un processo di forgiatura a caldo (970°C, appena sotto la temperatura di transizione a fase beta) in un’unica passata seguito da sbavatura e da una lavorazione di coniatura per il recupero delle distorsioni causate dal riscaldamento (che sono massime proprio a temperature di circa 950°C, come mostrato nel grafico sperimentale riportato a seguito).

Figura 21: Andamento (%) delle distorsioni al variare della temperatura per un campione di Ti-64A (barra di 8.2 mm di diametro) sottoposta a trattamento termico di 16 ore. Si nota il picco pronunciato appena prima della trasformazione in fase beta, responsabile del già citato fenomeno della superelasticità.

Quindi un ulteriore trattamento di invecchiamento a 715°C (che riduce le distorsioni nei successivi trattamenti superficiali di ossidazione, descritti a seguito) precede la lavorazione meccanica.

Quest’ultima per componenti meccanici di alta precisione come le bielle è estremamente delicata e richiede quindi oltre che utensili di alta precisione anche un solido posizionamento (anche in ragione del notevole ritorno elastico del titanio che come già detto ne rende difficoltosa la lavorazione ad utensile).

Nel caso dell’acciaio il bloccaggio è garantito da potenti magneti; essendo però il titanio un materiale amagnetico si è ricorso ad apposite morse a cuneo in grado di immobilizzare il componente creando un intenso vuoto sulla superficie inferiore dello stesso.

Trattamenti superficiali: Come già accennato una delle ragioni dell’elevato costo delle bielle in titanio è legato alla complessità dei rivestimenti superficiali necessari al contenimento dell’usura da attrito nelle superfici interne di testa e piede di biella.

Le meno esasperate condizioni di utilizzo dei modelli di serie hanno però portato Honda a ricercare trattamenti superficiali alternativi e più economici.

Dopo aver testato diverse possibilità (tra cui rivestimenti al cromo, molibdeno e processi di nitrurazione) è stato individuato nei trattamenti di ossidazione (OD treatments) il miglior compromesso tra proprietà conseguite (principalmente durezza, durabilità chimica e resistenza all’usura), semplicità di esecuzione e costi.

La temperatura ottimale di trattamento individuata dal costruttore giapponese è tra i 700 ed i 720°C, a cui il materiale aumenta notevolmente la propria durezza superficiale mantenendo la microstruttura alfa+beta e rimanendo comunque lontano dalle condizioni di superelasticità (900-950°C) che ne indurrebbero un’ intensa deformazione.

La temperatura prescelta permette inoltre tempi di trattamento relativamente brevi e quindi una buona produttività.

A questo è poi aggiunto un rivestimento di resina PTFE sulla testa di biella la cui principale funzione è quella di compensare ogni eventuale disassamento tra biella ed il relativo perno durante l’assemblaggio.

Figura 22: Biella e relativi trattamenti superficiali sviluppati da Honda per il modello RC30.

Risultati: Come già accennato il risparmio di peso ottenibile con queste tecnologie è di circa il 17% rispetto a componenti in acciaio di uguale resistenza.

Il prezzo, circa un sesto rispetto alle tradizionali bielle in titanio, resta comunque circa sei volte superiore a quello delle bielle in acciaio.

Per quanto riguarda gli attriti meccanici il confronto con il motore 4 cilindri di base (con bielle in acciaio) ha rivelato un guadagno di circa 1.5CV; a questo va chiaramente aggiunto il fatto che a parità di affidabilità la maggior leggerezza del componente consente regimi di rotazione maggiori permettendo al motore di sviluppare potenze più elevate.

Si riporta infine l’originale esempio a biella madre più belletta proposta dall’ing. Giovanni Mariani per il moderno bicilindrico VGM da lui stesso progettato per una moto da supermotard.

In passato questa configurazione era stata utilizzata in alcuni motori di aviazione (vedi il famoso motore a stella 14 cilindri, con 2 bielle madri che trascinavano ognuna 6 biellette), in diversi 2 tempi motociclistici a cilindri sdoppiati e in auto da competizione a tre bancate (biella madre più 2 biellette).

L’inusuale schema prevede che nel motore VGM di 650cc in esame la biella della bancata posteriore non sia collegata direttamente al perno di manovella ma si articoli, tramite un apposito perno da 18mm in due “orecchie” ricavate nella testa dell’altra biella.

Questo schema consente di realizzare le due bancate sullo stesso piano con un unico perno di manovella, a vantaggio della compattezza trasversale del motore.

Figura 23: Schema biella madre e bielletta con le bielle in titanio con rivestimento al TiN, realizzato da Poggipolini su specifiche dell’ing.Mariani.

I due componenti, a sezione ad I e ricavati dal pieno visti gli scarsi volumi, sono realizzati con il già più volte citato rivestimento al TiN che nel caso specifico ricopre però l’intera superficie sia di biella madre che di bielletta.

· Valvole:

Si tratteranno qui le classiche valvole a fungo di aspirazione e scarico comandate dai relativi alberi a camme (tramite punterie, bilancieri o aste) comunemente adottate nei motori a quattro tempi.

Questo componente fa parte della distribuzione, è generalmente collocato nella testata (soluzione attualmente generalizzata ma non l’unica possibile) ed ha la funzione di regolare il passaggio dei gas durante le fasi di aspirazione e lavaggio della camera.

Le valvole sono costituite da:

- STELO O GAMBO: è la parte cilindrica allungata che scorre strisciando nella relativa sede, che ha funzione di guida.

Nella parte alta vi sono ricavate una o più scanalature per l’alloggiamento dei semiconi (o più raramente semianelli) che consentono il vincolamento della valvola al piattello o al bicchierino.

Il ritorno in posizione è generalmente garantito da una molla elicoidale che agisce sul piattello (nel caso di valvole con comando a molla) o da relativo bilanciere nelle distribuzioni desmodromiche.

In alternativa esistono infine anche sofisticati sistemi a comando pneumatico (utilizzati in F1 e su alcune moto da competizioni) che consentono il raggiungimento di elevatissimi regimi di rotazione.

Lo strisciamento di questa porzione di valvola nella relativa sete rende estremamente gravose le condizioni di esercizio del gambo che deve quindi possedere un’elevata durezza e resistenza all’usura

- TESTA O FUNGO: è la parte inferiore della valvola a contatto con le sedi (ricavate nella testata) con funzione di tenuta.

Ha forma circolare (anche se in passato sono state sperimentate valvole con fungo ellittico) ed appoggia sulla sede tramite una superficie conica evitando l’ingresso o la fuoriuscita dei gas.

Le valvole sono soggette a condizioni di funzionamento estremamente severe non solo a causa delle forze inerziali dovute al moto alterno e dello strisciamento dello stelo ma anche per i violenti urti con le sedi, le alte temperature di esercizio (soprattutto per le valvole di scarico) e le forti pressioni che agiscono sulla superficie inferiore del fungo affacciata alla camera di combustione.

La geometria e la composizione del materiale devono quindi assicurare non solo leggerezza (per ridurre le sollecitazioni inerziali) e resistenza (agli urti) ma anche un efficace dispersione termica (per contrastarne l’eccessivo riscaldamento).

A questo fine diversi produttori di motori a combustione interna (in campo motociclistico si ricorda BMW sull’ultima versione della GS1200) utilizzano per le valvole di scarico degli steli cavi riempiti di sodio metallico, caratterizzato da una conducibilità termica superiore a quella dell’acciaio.

La scelta del numero e della disposizione delle valvole dipende da molti fattori.

Nel caso dei motori a medio-alta potenza specifica lo schema più diffuso è comunque quello delle quattro valvole per cilindro disposte a due a due parallele su piani inclinati tra loro (generalmente di 20°-40° nei motori moderni).

Per motori meno esasperati esistono comunque soluzioni a due, tre (vedi Ducati con il celebre desmodue ed il recente desmotre ) e cinque valvole (attualmente impiegato da Yamaha sull’intera gamma sportiva e nelle competizioni GP1 fino al 2003 e da Ferrari sul modello 360 Modena ed in passato anche in F1).

Tra le disposizioni alternative si ricorda quella radiale (le due valvole di ciascuna coppia sono inclinate tra loro) attualmente impiegate nei 4 cilindri MV Agusta per necessità geometriche nelle distribuzioni a 5 valvole.

L’impiego di titanio in alternativa all’acciaio per la realizzazione di questo componente si rivela estremamente vantaggiosa nei motori di elevate prestazioni grazie soprattutto alla maggiore leggerezza (che come per le bielle limita i carichi inerziali) e alle buone doti di resistenza termica e all’usura da strisciamento conseguibili con opportuni trattamenti.

Il comportamento tendenzialmente elastico del titanio rende inoltre meno gravosi i continui urti tra sede e fungo garantendo una efficace tenuta.

Punto debole è invece il basso coefficiente di conducibilità termica che non ne preclude comunque l’utilizzo.

Figura 24: Scorcio della testata 16 valvole che equipaggia la recente Kawasaki ZX10R. Si notano nella parte inferiore le coppie di valvole di scarico in titanio (di colore chiaro) , più piccole rispetto a quelle di aspirazione in acciaio (più scure in alto).

Le classiche leghe utilizzate per questi componenti sono la Ti6Al4V, la 62S (Ti6Al2Fe0.1Si) e la più economica AT6 (Ti5.8Al1.8FeCrSi) mentre per le più critiche valvole di scarico si possono utilizzare le migliori leghe IMI 834 (inglese) e Ti1100 (americana).

In ogni caso la formatura del componente può avvenire per forgiatura (che richiede in genere più passate) o con processi di fusione a cera persa (investment-cast).

Per entrambe è richiesta una successiva lavorazione ad utensile che conferisce le dimensioni definitive al componente.

Figura 25: A destra una valvola in titanio realizzata da Poggipolini lavorata ad utensile, trattata e pronta al montaggio. A sinistra il grezzo di fucinatura da cui è stata ottenuta.

Da notare che nel caso della forgiatura (che come noto garantisce proprietà meccaniche superiori per l’incrudimento indotto nel materiale) la perdita di materiale dal lingotto di partenza possono arrivare al 30% a causa del maggiore volume delle “bave” prodotte dallo stampaggio che devono essere rimosse all’utensile.

In generale le maggiori difficoltà legate all’uso delle leghe di titanio nella realizzazione di valvole derivano dalla più volte citata reattività a caldo e dalla scarsa resistenza all’usura da strisciamento, quest’ultima particolarmente gravosa nella zona di contatto tra lo stelo e sede.

Queste problematiche sono peraltro gestibili con opportuni trattamenti termici e rivestimenti mirati, come già visto più nel dettaglio nel caso delle bielle.

A questo scopo sono stati sperimentati diversi riporti per la zona del gambo di cui si presentano a seguito due esempi.

Figura 26: Diversi tipi di rivestimenti superficiali per il gambo. A sinistra una realizzazione al TiN, riconoscibile dal caratteristico color oro, proposta dallo specialista emiliano Achille Fabbri, in questo casa visibilmente danneggiata nella zona superiore (priva di trattamento) a contatto con la camma. A destra due delle quattro valvole realizzate da Poggipolini per la monocilindrica Husqvarna 630SM, con un non specificato riporto superficiale di colore verde scuro.

Le tecnologie di sinterizzazione sviluppate per gli acciai proprio per ridurre gli scarti di produzione non hanno avuto successo per le leghe di titanio, probabilmente a causa della porosità residua che si ha con questa tecnologia che rende ancora più critica la resistenza a corrosione del materiale (la porosità interconnessa mette di fatto a contatto con l’atmosfera ossidante anche l’interno del materiale con ovvie conseguenze).

Interessanti studi sono in atto da diversi anni per la produzione di valvole di scarico (termicamente più sollecitate) composite in titanio tramite processo CastCom che permette di realizzare lo stelo in lega di titanio Ti6Al4V e la parte inferiore fungo in Ti₃Al, con un rivestimento di carburo di titanio per il fungo.

Figura 27: Valvola di scarico prodotta con tecnologia CastCom;

Questa particolare tecnologia consente di localizzare nella zona maggiormente sollecitata termicamente (il fungo), le migliori caratteristiche del materiale e consente quindi l’utilizzo della più tradizionale lega Ti6Al4V senza trattamenti termici aggiuntivi per lo stelo valvola.

Si accenna ora ad altri componenti accessori del sistema di distribuzione realizzabili in titanio.

Figura 28: Vista d'assieme degli elementi che compongono un tipico sistema di richiamo valvola. Nella foto all’estrema destra i semiconi, vincolati alle scanalature visibili nella parte superiore degli steli valvola (a sinistra). Questi permettono il vincolamento alla valvola dello scodellino (alla destra della molla elicoidale), il cui foro interno è lavorato con la stessa conicità dei semiconi. Al centro la molla di richiamo, in questo caso singola a passo costante, la cui estremità superiore (in moto alterno assieme alla valvola) si appoggia alla superficie inferiore dello scodellino. Alle sinistra della molla si vede la punteria a bicchiere interposta tra camma e stelo valvola con il dischetto di calibrazione (appena sopra) a diretto contatto con il lobo, come mostrato nel disegno d’assieme a destra.

- MOLLE di RICHIAMO: per quanto riguarda la produzione in acciaio (legato, generalmente al Cr-Mo, Cr-Si e Cr-V) quelle di tipo elicoidale hanno ormai completamente sostituito le funzionali ma ingombranti molle a spillo, in voga fino agli anni ’50.

Hanno il difficile compito di assicurare la completa chiusura delle valvole di aspirazione e di scarico anche agli alevati regimi di rotazione (a cui i tempi di chiusura sono dell’ordine del centesimo di secondo) con ingombri minimi, in modo da poter essere montate nelle moderne e complesse testate plurivalvole.

Per ottenere ciò sono state sperimentate differenti soluzioni, tra cui molle elicoidali a passo variabile (con caratteristica elastica progressiva), ad avvolgimento tronco conico (per ridurre le masse non sospese) e anche molle a sezione ovoidale.

La soluzione più vantaggiosa ed utilizzata si è dimostrata comunque quella delle doppie molle coassiali che sono state prodotte anche in titanio.

Figura 29: Molla valvola elicoidale in titanio, in questo caso di tipo singolo a passo costante.

Le leghe generalmente utilizzate sono di tipo beta (Ti22V4AlSn o Timetal 21S in forma di fili estrusi) che garantiscono buone proprietà elastiche e consentono, grazie al minor peso, di raggiungere regimi di rotazione più elevati e di adottare profili di camme più radicali (riducendo quindi il tempo di apertura e chiusura della valvola a parità di alzata);

- SCODELLINI : sono degli elementi discoidali simili ad una rondella sagomata con funzione di appoggio o ritegno delle molle di richiamo.

In alternativa ai tradizionali in acciaio legato possono essere realizzati in lega Ti6Al4V ( quando ottenuti per forgiatura o lavorazione meccanica) o leghe beta (se stampati a freddo);

Figura 30: Scodellino in titanio per molle valvola.

- SEMICONI: sono i due elementi amovibili che vincolano lo stelo della valvola allo scodellino della molla.

Sono vincolati contemporaneamente all’alloggiamento conico praticato al centro dello scodellino (spinto verso l’alto dalla molla) e in uno o più canali ricavati nello stelo valvola.

Nelle produzioni moderne hanno sostituito quasi totalmente i semianelli, tuttora presenti nella produzione Ducati.

Anche in questo caso il materiale comunemente usato è l’acciaio me non mancano realizzazioni di specialisti in titanio, a completamento (assieme a molle, bicchierini e valvole) del sistema di distribuzione.

- PUNTERIE: sono l’elemento di collegamento tra il lobo della camma e lo stelo. Le più diffuse sono del tipo a BICCHIERE (dalla forma caratteristica che ricopre in parte la molla di richiamo) ma ne esistono anche a PIATTELLO (a forma di semplice rondella) ed a RULLO, attualmente utilizzate soltanto per i bicilindrici Harley-Davinson.

Anche questo elemento può essere realizzato in lega di titanio, (come del resto il dischetto di calibrazione tra punteria e lobo nel caso non siano presenti altri sistemi di regolazione del gioco valvole) e concorrono quindi alla riduzione delle masse in moto alterno del sistema di distribuzione, fondamentale nei motori ad elevate prestazioni.

· Frizione:

Dispositivo che permette di collegare e staccare motore e cambio, in modo da consentire partenze da fermo progressive e cambi di marcia agevoli.

La coppia motrice viene trasmessa per attrito tra una (vedi BMW) o più coppie (per la quasi totalità della produzione motociclistica) di dischi conduttori e condotti montati in modo alternato.

Le frizioni sono in genere a bagno d’olio per motivi di raffreddamento e rumorosità mentre quelle a secco sono utilizzate nelle competizioni e su alcuni modelli di serie di elevate prestazioni (come l’intera produzione dei motori Ducati a 4 valvole).

Oltre che dai dischi di attrito la frizione è costituita da un elemento cilindrico conduttore (detto CAMPANA, che prende il moto dall’albero a gomiti attraverso la trasmissione primaria) e da uno condotto (MOZZO), vincolato all’albero primario della trasmissione secondaria (cambio).

L’innesto della frizione avviene tramite l’azione di molle precaricate che agendo su un piatto SPINGIDISCO premono tra loro i dischi rendendoli solidali e consentendo la trasmissione della coppia motrice al cambio.

L’azionamento del comando manuale (a filo o idraulico) della frizione muove invece un pistoncino che agisce sulla campana in senso opposto alle molle riducendo così la pressione tra i dischi fino al completo distacco.

I componenti meccanici della frizione (campana, mozzo e spingidisco) sono generalmente fabbricati in lega di alluminio ma si trovano anche realizzazioni particolari di alcuni di questi componenti (soprattutto lo spingidisco, meno sollecitato) in lega di magnesio o ergal.

Un’interessante alternativa è stata proposta da Poggipolini nel 1999 per rispondere alle esigenze dell’azienda slovena MS Production, specialista in materiali di attrito e fornitrice di diversi team nelle competizioni.

Quest’ultima volendo realizzare una frizione motociclistica con dischi di attrito in SICOM (materiale composito a base di carbonio, utilizzato nelle frizioni di F1) necessitava di un’apposita componente meccanica in grado di resistere alle elevatissime temperature di esercizio di questo materiale (resistente fino a 2100°C) senza però rinunciare alla leggerezza delle leghe leggere.

Poggipolini ha quindi realizzato un’apposita frizione in titanio ricavata dal pieno per fresatura con rivestimento superficiale al TiN per le parti più soggette ad usura per strisciamento, visibile nella foto a seguito.

Figura 31: Complessivo dell'innovativa frizione sviluppata da MS Production in collaborazione con Poggipolini. Si osservano l’asta di azionamento (in basso) e mozzo, campana e spingidisco montati assieme ai tre dischi d’attrito in materiale composito per un peso complessivo di appena 820gr contro i 2.8kg della frizione originale.

· Radiatore:

Nei moderni motori con raffreddamento a liquido ad elevate prestazioni sono uno degli elementi accessori di maggior ingombro ed importanza.

Sono essenzialmente degli scambiatori di calore tra un liquido refrigerante (acqua o olio, che prelevano calore dal motore passando attraverso opportune canalizzazioni) e l’aria (atmosferica, a cui viene ceduto parte del calore).

I radiatori motociclistici (fino a tre a seconda dei casi) sono generalmente posizionati nella zona anteriore del veicolo tra motore e ruote e sono spesso dotati di elettroventola per lavorare in regime di convezione forzata anche a moto ferma.

Non mancano comunque disposizioni alternative come i doppi radiatori laterali impiegati su alcune Honda bicilindriche (vedi VTR 1000) e sulla recente Benelli TNT 1130 o addirittura posteriori, sotto il codone, soluzione estremamente originale sperimentata negli anni ’80 nelle competizioni ed attualmente adottata da Benelli sul modello Tornado 900.

La struttura tipica di un radiatore è costituita da due vaschette (generalmente verticali e laterali) collegate da una fitta serie di tubetti trasversali, a loro volta a contatto tra di loro tramite delle sottili lamine ripiegate su se stesse che massimizzando l’area di contatto tra il metallo (riscaldato dal fluido circolante) ed il flusso d’aria fresca ne garantiscono un’elevata efficienza.

Il flusso d’acqua o di olio è garantito da apposite pompe azionate dal motore stesso e permette al radiatore di lavorare sempre con un elevato gradiente termico (necessario per garantire alti rendimenti).

Il materiale generalmente usato per la costruzione è l’alluminio, grazie soprattutto ella leggerezza e all’elevata conducibilità termica.

Lascia invece un po’ perplessi l’utilizzo del titanio, non tanto per la complessità costruttiva, (già notevole nel caso delle leghe di alluminio) quanto per la natura tendenzialmente isolante del materiale.

Si riporta comunque la pregevole realizzazione proposta da NCR in collaborazione con Poggipolini per una meccanica Ducati quattro valvole.

Figura 32: Sistema di raffreddamento a liquido realizzato in titanio da Poggipolini. Nella parte superiore si nota il grosso radiatore dell’acqua a doppia inclinazione ottenuto per saldatura di lamierini stampati. Quello più piccolo in basso è il radiatore dell’olio. I due circuiti sono ovviamente separati ed alimentati da due pompe azionate dal motore stesso.

· Impianto di scarico:

Comprende il lungo e spesso contorto tubo che collega i collettori di scarico al silenziatore ed il silenziatore stesso.

Non è soggetto a particolari carichi anche se può raggiungere temperature considerevoli nella zona in prossimità dei cilindri (ma anche oltre nel caso siano presenti dispositivi catalitici) ma ha una considerevole influenza sulla massa complessiva del veicolo.

Mentre per la struttura di rivestimento del silenziatore si ha la possibilità di sostituire il tradizionale acciaio (spesso inox) con diversi tipi di materiale (prevalentemente alluminio o fibra di carbonio) per la parte calda del collettore di scarico l’unica valida alternativa per la riduzione dei pesi è

proprio il titanio che può però comportare notevoli difficoltà di realizzazione nel caso di collettori dall’andamento contorto, come spesso avviene in campo motociclistico.

A dimostrazione di ciò si ricorda che persino le ultime Honda ufficiali 500 a due tempi da GP utilizzavano il titanio per i due scarichi alti rettilinei sotto il codone ma l’acciaio inox per quelli inferiori, dall’andamento complesso e difficilmente realizzabili anche a mano da tecnici estremamente esperti.

Figura 33: Scarichi dei due cilindri posteriori di un motore 500 a due tempi da gran premio. Si nota l'estrema complessità della realizzazione dovuta sia alla curvatura del collettore che alla pronunciata conicità, indispensabile nei motori a due tempi per ottenere elevati rendimenti volumetrici.

La realizzazione di condotti a sezione variabile è generalmente eseguita tramite calandratura e successiva saldatura longitudinale.

Con la calandratura una sottile lamiera (nel caso del titanio le moderne tecnologie consentono di lavorare spessori di appena 4mm) viene piegata attorno ad un cono come mostrato sotto.

Figura 34: Calandratura di una lamiera di titanio per la realizzazione di un'espansione di un motore due tempi.

La chiusura del cono richiede poi un cordone di saldatura continuo longitudinale che può essere fatto manualmente con le tecniche di saldatura sotto vuoto precedentemente analizzate o in automatico con macchinari che lavorano in atmosfera ma con intensi flussi di gas inerte.

Figura 35: Saldatura automatica in atmosfera. Questa tecnologia, specifica per le leghe di titanio in fase di sviluppo presso l'italiana SITO di Monticello d'Alba, consente la realizzazione estremamente rapida e precisa di cordoni di saldatura rettilinei. Si notano i numerosi ugelli che inviano il gas inerte nella zona di saldatura sia all’esterno che all’esterno del collettore.

Nel caso di motori a 4 tempi l’assenza dell’espansione (il collettore mantiene un diametro circa costante) ne semplifica in parte la realizzazione ma questo rimane comunque uno dei componenti saldati di maggiore complessità costruttiva e richiede tecnici altamente specializzati oltre che gli adeguati strumenti, come visto in precedenza.

Il processo produttivo passa attraverso il taglio, la tradizionale piegatura (eseguita a mano con apposite presse o in automatico da macchinari a controllo numerico) e la saldatura, eseguita manualmente in atmosfera inerte con le tecnologie TIG, MIG già descritte.

Figura 36: Pressa per la piegatura manuale (foto a sinistra) in confronto ad un più moderno macchinario a controllo numerico (a destra). Nel secondo caso non è richiesto alcun intervento da parte dell'operatore, che deve soltanto provvedere all'introduzione del tubo rettilineo nel macchinario.

A livello industriale la produzione di scarichi in titanio rimane comunque principalmente riservata a prodotti after market per l’elaborazione di veicoli di serie anche se da alcuni anni le principali case giapponesi stanno sviluppando specifiche tecnologie di piegatura e saldature di tubi e lamiere di titanio che adottano anche su veicoli di serie di alte prestazioni.

Ci si riferisce principalmente alle supersportive di grossa cilindrata (Yamaha R1 e la gamma GSX-R della Suzuki) ed alle ultime 4 tempi da cross ed enduro (Yamaha YZ 450F e Honda CR 450F), che hanno nell’estrema leggerezza uno dei principali requisiti di progetto.

Figura 37: Impianto di scarico completo del tipo 4 in 2 in 1, configurazione tipica nei motori 4 tempi con architettura 4 cilindri in linea e frequentemente utilizzata dai costruttori giapponesi. Yamaha e Suzuki ne prevedono la completa realizzazione in titanio per i modelli R1 e GSX-R.

Nel caso di collettori a sezione costante si utilizzano le tradizionali tecnologie di piegatura a partire da tubi estrusi e, come peraltro evidente dalla foto sopra, l’intero collettore è ottenuto tramite saldatura su piani trasversali di più tratti curvi e rettilinei.

Per ragioni di semplicità costruttiva l’intera struttura è inoltre generalmente costituita da diversi blocchi separati e tenuti assieme da molle di trazione; nella foto sopra (che si riferisce ad un Kit di elaborazione per il modello sportivo Honda CBR1000RR) i componenti sono addirittura nove ma generalmente si realizzano impianti con due o tre elementi separati.

· Carter motore:

Di fatto è una scatola metallica in cui sono alloggiati o sostenuti gli organi in movimento del motore. Ha essenzialmente una funzione di protezione di questi ultimi e, nel caso più diffuso di carter umido (Aprilia è tra i pochi costruttori ad adottare il carter secco per il suo bicilindrico RSV1000) raccoglie l’olio del sistema di lubrificazione che scende per gravità dagli organi superiori del motore.

Nella produzione di carter motociclistici le leghe di alluminio (o addirittura di magnesio per i coperchi laterali) si sono ormai da tempo sostituite alle più economiche ghise grazie alla maggiore leggerezza, buona conducibilità termica e versatilità nei processi di fonderia.

L’uso del titanio è invece fortemente inibito dalla complessità delle tecnologie di fusione necessarie alla realizzazioni di questi componenti (vedi Investment Casting paragrafo 1.7 nella prima sezione).

La scarsa conducibilità termica delle leghe di titanio può inoltre rendere problematica la dissipazione del calore con ovvie conseguenze sull’efficienza dell’impianto di lubrificazione.

Alcune sperimentazioni sono comunque state effettuate da Poggipolini che ha realizzato in fusione per gravità dei carter completi per motori Ducati due valvole.

Figura 38: Semicarter destro Ducati, si nota l'elevata complessità del componente, legata anche alla funzione strutturale di queste unità, che ne richiede quindi un'accurata nervatura interna di irrigidimento. Il carter completo si ottiene dall’unione tramite viti mordenti delle due metà e dei coperchi laterali.

Tra i componenti ausiliari del carter motore realizzabili in Titanio si ricordano i coperchi laterali e, per i modelli non dotati di avviamento elettrico, la leva kickstarter.

Figura 39: Coperchio frizione in lamierino di titanio saldato (a sinistra) e leva di avviamento a pedale, a destra sempre in titanio, realizzati da Poggipolini per il modello Husqvrna 630SM.

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2.4.COMPONENTISTICA CICLISTICA:

Verranno qui esaminati tutti gli elementi strutturali ed accessori per i quali è stato sperimentato l’utilizzo delle leghe di titanio.

· Telaio e accessori:

Il telaio costituisce la struttura portante della moto, con funzione di supporto per motore, sella, serbatoio e carrozzeria e attraverso le sospensioni è collegato alle masse non sospese (ruote e parte delle sospensioni stesse).

Rappresenta una delle componenti tecnicamente ed esteticamente più caratterizzanti di una moto e deve possedere elevate doti di rigidezza, solidità e leggerezza.

Come accennato nell’introduzione l’impiego di telai in titanio nelle competizioni è da anni vietato dalla Federazione Internazionale.

Questo divieto non vale per componenti accessorie quali telaietti reggisella, staffe e supporti vari e non è comunque esteso ai veicoli di serie di normale produzione.

I tipici materiali utilizzati sono l’alluminio (estremamente versatile per processi di estrusione, fusione e forgiatura) e l’acciaio (per lo più in strutture tubolari).

L’utilizzo del titanio in questo ambito è per lo più limitato alle sopraccitate componenti accessorie mentre la realizzazione di interi telai tubolari in questo materiale, pur consentendo considerevoli guadagni in peso (5-7Kg per moto stradali) è da ritenersi una realtà esclusivamente artigianale

Decisamente più diffuso è invece l’utilizzo di questa tecnologia per la realizzazione di telai per biciclette, la cui produzione annua nazionale è di circa 3000 unità; per maggiori notizie si rimanda al sito del corso, alla pagina: http://www.ing.unitn.it/~colombo/telai/Index.htm.

Figura 40: Nella foto a sinistra il telaietto reggisella in titanio (di colore scuro) a confronto con l'originale in lega di alluminio (chiaro). Nella foto di destra lo stesso componente montato sul modello MV Agusta F4, oggetto di numerose modifiche da parte dei tecnici Poggipolini.

I rari telai motociclistici in titanio sono per lo più realizzati in forma di strutture tubolari partendo da tubi estrusi in Ti6Al4V o Ti3Al2.5V (più facilmente lavorabile) di vario diametro (tipicamente tra i 19 e i 22mm e spessori anche inferiori al millimetro) collegati per saldatura ad arco.

Eventuali tubi di maggiori dimensioni si possono anche ottenere per piegatura di lamiera e successiva saldatura, come nel caso del trave centrale di 60mm di diametro (spessore di 1,5mm) realizzato per il telaio di una Husqvarna 630 da Supermotard, riportato nella foto sotto.

Figura 41: Telaio completamente realizzato in lega di titanio Ti6Al4V da Poggipolini per il modello Husqvarna 630SM. Si nota il trave centrale di grosso diametro ottenuto per piegatura e saldatura longitudinale di lamiera.

Questo telaio è realizzato con la lega Ti3Al2,5V, caratterizzata da un’ottima lavorabilità, buona saldabilità ed una resistenza di 800Mpa dopo trattamento termico.

Gli estrusi secondari utilizzati hanno diametri di 19 e 22mm con spessori rispettivamente di 0.89 e 1,2mm e portano il peso complessivo del telaio a soli 4kg, contro i circa 9kg del telaio originale in acciaio.

Tutte le saldature sono effettuate con tecnologia TIG.

L’intera struttura viene infine sottoposta a trattamento termico di solubilizzazione e invecchiamento a 660°C per circa 4 ore e quindi raffreddato in aria.

Durante questa fase si pone particolare attenzione alle distorsioni termiche, che vengono generalmente impedite da robuste intelaiature ausiliarie come si vedrà meglio più avanti.

Stesso discorso per il telaietto reggisella mostrato nell’immagine a seguito, smontabile e collegato alla struttura principale tramite bulloni.

Figura 42: Telaietto posteriore in titanio realizzato da Poggipolini per il modello Husqvarna 630SM.

Il peso del componente è di appena 1120gr contro i 1950 della struttura originale in acciaio (-42.5%).

Altra realizzazione di grande pregio, sempre di Poggipolini, è il telaio in traliccio di tubi del prototipo NCR Macchianera su base meccanica Ducati 4 valvole, presentato al recente salone di Milano.

Figura 43: NCR Macchianera con telaio interamente in Titanio grado 9 realizzato da Poggipolini.

Il materiale utilizzato è il titanio grado 9 e riprende le geometrie di quello impiegato sulle Ducati ultime Ducati 998 con l’aggiunta di due elementi centrali di irrigidimento imbullonati nella parte centrale.

I diametri sono maggiori rispetto al componente originale (in acciaio al cromo molibdeno) e di 25-28 e 33 mm a seconda delle zone, per un peso di soli 4.55 kg, comprensivo del telaietti reggisella (470gr), contro gli oltre 10 Kg della struttura originale.

L’utilizzo di questo e di numerosi altro componenti in lega di titanio hanno consentito ai tecnici della NCR di realizzare un prototipo del peso di soli 135kg, valore sensazionale se confrontato con gli oltre 190kg dei pur raffinati modelli Ducati di uguale meccanica.

Tra i componenti accessori della ciclistica con funzione strutturale si ricordano infine i supporti pedana, spesso oggetto di realizzazioni artigianali in lega di alluminio, ergal, magnesio, carbonio e, appunto, titanio.

Un’interessante realizzazione è proposta da Poggipolini in sostituzione ai supporti pedana regolabili in lega di alluminio che equipaggiano la produzione MV AGUSTA (F4 750/1000 e Brutale).

Figura 44: Supporto pedana destro in titanio per moto MV Agusta.

Questo componente, come intuibile dalle forme arrotondate, viene ottenuto in pezzo unico per stampaggio a caldo con successiva lavorazione meccanica e non richiede quindi nessuna operazione di saldatura.

Sempre in merito alla zone dei comandi a pedale sono generalmente oggetto di alleggerimento da parte dei preparatori anche le leve freno e cambio e in alcuni casi le pedane stesse. Per questi componenti si trovano realizzazioni in diversi tipi di leghe di alluminio e magnesio oltre che in ergal.

A seguito si riportano degli esemplari realizzati da Poggipolini in lega di titanio Ti6Al4V.

Figura 45: Pedana e leva cambio in lega di titanio realizzate da Poggipolini per il modello Husqvarna 630SM.

· Forcellone:

Nelle sospensioni posteriori a schema convenzionale è l’elemento che collega il telaio (a cui è vincolato per mezzo di un’asse e di due cuscinetti a rullini o a strisciamento) al mozzo della ruota posteriore.

Lo schema più classico prevede un doppio braccio, (spesso asimmetrico in funzione della disposizione di catena, pinza freno, attacco ammortizzatore e collettore di scarico), ma hanno avuto una certa diffusione anche le realizzazioni monobraccio, inizialmente introdotte per velocizzare le operazioni di cambio ruota nelle gare di endurance e quindi diventati di moda per ragioni principalmente legate al design.

Nelle moderne realizzazioni le leghe di alluminio hanno quasi totalmente sostituito il pesante acciaio consentendo una importante riduzione delle masse non sospese. Sono inoltre stati proposti forcelloni in lega di magnesio (anche di serie su alcune versioni dei modelli F4 e Brutale di MV Agusta) e in fibra di carbonio (Aprilia per prima negli anni ’90 sulle proprie 250 da GP e oggi disponibili anche sul mercato come accessori after market).

Meno diffuse le realizzazioni in lega di titanio di cui si riportano comunque due esempi disponibili nel catalogo Poggipolini.

Il primo riguarda un forcellone libraccio per il modello Husqvarna 630SM.

Figura 46: Forcellone in titanio realizzato da Poggipolini per il modello Husqvarna 630SM.

La struttura è realizzata in lamiera e tubi (per i perni) saldati con tecnica TIG.

Nella foto si notano le capriate di irrigidimento provvisoriamente saldate alla struttura principale

per evitarne le distorsioni durante i trattamenti termici di stabilizzazione, del tutto analoghi a quelli

appena descritti per il telaio.

Questi elementi, ovviamente sempre in lega di titanio, verranno poi tranciati per ottenere il componente definitivo, visibile sotto.

Figura 47: Forcellone posteriore in titanio.

Il secondo esempio, ancora più raffinato nella realizzazione, riguarda un forcellone monobraccio interamente realizzato in titanio da Poggipolini per il modello MV Agusta F4.

Figura 48:Forcellone montato. Si notano la porzione superiore tubolare e quella inferiore scatolata. Su quest’ultima, osservando attentamente, sono anche visibili i cordoni di saldatura verticali che rivelano la presenza delle traverse interne di irrigidimento, descritte a seguito.

La realizzazione in titanio di questo componente ha consentito un risparmio di circa il 50% rispetto alla già leggerissima unità in magnesio che equipaggia la F4 serie oro.

Come si vede dall’immagine la struttura è costituita da una parte inferiore scatolata in lamiera saldata (in cui sono inseriti il perno di collegamento al telaio e la flangia portamozzo ricavata dal pieno) e da una struttura superiore di rinforzo in tubi, anch’essa saldata, che consente il passaggio della catena al suo interno.

Particolare attenzione è stata riservata alla costruzione delle dime in alluminio su cui sono vincolati i principali elementi di riferimento del componente: perno telaio, portamozzo, attacchi del cinematismo dell’ammortizzatore.

Figura 49: Dime preparate per la prima parte della realizzazione del forcellone. Si notano, già in posizione i principali vincoli geometrici della struttura ed il laminato sagomato che costituirà la parte inferiore della struttura scatolata.

Molto interessante anche la lavorazione interna di irrigidimento della struttura scatolata.

Figura 50: Il forcellone scatolato in titanio per il modello MV Agusta F4 in fase di lavorazione nelle officine Poggipolini.

Si notano all’interno le quattro traverse saldate al guscio scatolato e le generose forature di alleggerimento.

Quella inferiore in particolar modo permette il passaggio di un tubo del diametro di circa 20mm che attraversa longitudinalmente l’intero forcellone (visibile nella foto di destra).

Quest’ultimo ha la doppia funzione di irrigidimento e di guida del condotto idraulico di comando della pinza freno posteriore che, caso unico in campo motociclistico, viene fatto passare all’interno della struttura del forcellone.

Come per altre realizzazioni già esaminate il componente viene sottoposto dopo lavorazione a trattamento termico di stabilizzazione; per questo viene montata una struttura provvisoria di irrigidimento per limitare le distorsioni dovute ai gradienti termici (si ricorda che tali trattamenti sono condotti da temperatura ambiente a 660°C con raffreddamento in aria).

Figura 51: Forcellone pronto per il trattamento di stabilizzazione in forno. Si notano nella parte inferiore della foto (dove passerà la ruota posteriore) i due puntoni che limitano le distorsioni termiche.

Al termine delle operazioni la struttura provvisoria viene eliminata e vengono eseguite le ultime operazioni di rifinitura che portano al pezzo finito.

· Piastre forcella:

Sono generalmente due, una superiore ed una inferiore al canotto di sterzo ed hanno funzione di collegamento tra i foderi delle forcelle (o gli steli nel caso di forcelle tradizionali) ed il telaio.

Su di esse sono ricavate delle sedi cilindriche in cui si vanno ad inserire le forcelle poi serrate con bulloni, risultando quindi solidali all’impianto sterzante.

Il dimensionamento di questi componenti oltre a alcuni dei principali parametri ciclistici dell’avantreno (off-set, interasse e avancorsa) deve garantire resistenza alle elevate sollecitazioni a flessioni indotte dall’avantreno.

Tipici materiali costruttivi sono le leghe di alluminio e, soprattutto nelle competizioni, le leghe di magnesio con tecnologie di fusione o forgiatura.

Meno diffuso l’uso di titanio (che pure consente una riduzione di peso del 20% rispetto al già leggerissimo magnesio), che è in genere limitato a realizzazioni artigianali con tecniche di saldatura di elementi in lamiera, più versatile rispetto a forgiatura o fusione per i piccoli lotti, soprattutto in relazione alle specifiche difficoltà di fusione del titanio.

Figura 52: Piastra di sterzo realizzata da Poggipolini per Husqvarna 630SM, si notano le giunzioni ottenute per saldatura certosina di tubi e lamiere.

La struttura sopra è ottenuta tramite saldatura di due elementi tubolari che abbracciano i foderi della forcella con un componente centrale scatolato, anch’esso saldato.

La lega per questo componente (e la relativa piastra superiore) è la Ti6Al4V e lo spessore dei lamierini impiegati per la struttura scatolata dello spessore di 0,9 e 1,2mm.

Altra metodologia costruttiva per le piastre sterzo è quella di ottenere l’elemento centrale per stampaggio a caldo aggiungendo poi tramite saldatura delle opportune nervature di irrigidimento.

Questa tecnica è stata utilizzata da Poggipolini per la realizzazione delle piastre di sterzo utilizzate per il modello MV Agusta F4 già accennato.

Figura 53: Piastra di sterzo superiore in titanio realizzata da Poggipolini per il modello MV Agusta F4. Si notano nella parte inferiore (foto destra) le nervature di rinforzo saldate alla struttura principale stampata. Saldati anche i braccetti di collegamento per l’ammortizzatore di sterzo trasversale.

Altro componente accessorio dello sterzo realizzabile in titanio sono i semimanubrio, di cui si riporta ad esempio una pregevole realizzazione di Poggipolini a sezione variabile.

Figura 54: Semimanubrio in titanio a diametro variabile.

· Aste forcella:

Note anche come steli forcella, sono gli organi meccanici cilindrici che scorrono all’interno dei foderi (generalmente guidati da boccole) permettendo il moto delle sospensioni.

Nelle forcelle a steli tradizionali (prevalentemente utilizzate nel fuoristrada) sono rigidamente vincolate alle piastre forcella e, rispetto al telaio, possono solo ruotare attorno all’asse di sterzo (influiscono quindi come masse sospese del veicolo).

Nelle forcelle a steli rovesciati, molto più diffuse tra i modelli stradali, le aste sono invece solidali al mozzo ruota e lavorano quindi come masse non sospese.

La loro funzione principale è quindi quella di guidare il moto relativo con i foderi garantendo allo stesso tempo precisione e scorrevolezza.

Questo si ottiene imponendo tolleranze dimensionali estremamente severe e realizzando rivestimenti superficiali di elevata durezza e quindi basso coefficiente di attrito.

Durante il moto inoltre nella zona di contatto tra pneumatico anteriore e strada si generano forze di grande intensità che vengono trasmesse al telaio attraverso le forcelle.

Solo la componente parallela agli steli viene parzialmente smorzata dall’azione idraulica del gruppo molla ammortizzatore, mentre quella ortogonale va a inflettere aste e foderi che devono quindi essere debitamente dimensionati.

Il materiale più utilizzato per la loro fabbricazione è l’acciaio grazie agli alti valori di modulo elastico e resistenza intrinseci che consentono di realizzare rivestimenti superficiali di durezza ancora maggiore.

Lo sviluppo di appropriati trattamenti termici e rivestimenti ha però consentito di estendere l’uso delle leghe di titanio anche a queste gravose applicazioni, superando i limiti di durezza e flessibilità del materiale già citati della prima sezione (vedi rivestimenti PVD paragrafo 1.8.), con importanti vantaggi nella riduzione delle masse non sospese nelle forcelle a steli rovesciati.

A seguito è riportato uno dei rari esempi di aste forcella realizzati in titanio; si tratta di un’unità a steli rovesciati realizzata da Poggipolini per il modello Husqvarna 630SM.

Figura 55: Asta forcella in titanio, si nota chiaramente il rivestimento PVD al TiN, utilizzato in molti altri componenti in titanio per aumentarne la durezza superficiale. Oltre alle canne anche diversi elementi interni (non specificati) della cartuccia sono stati realizzati in lega di titanio, sempre con l’obbiettivo di ridurre le masse non sospese degli steli.

· Molla ammortizzatore:

Elemento elastico elicoidale costituito da un filo metallico avvolto a spirale.

Ha la funzione di permettere il ritorno alla posizione originale della sospensione dopo l’applicazione di un carico.

Per fare ciò la molla accumula energia elastica durante la fase di compressione cedendola sotto forma di energia cinetica durante l’estensione.

Parte di questa energia viene dissipata per attrito viscoso dalle componenti idrauliche (che agiscono principalmente nella fase di ritorno) in modo da limitarne l’eccessivo “rimbalzo”.

Il materiale più utilizzato per la realizzazione di molle elicoidali è l’acciaio, grazie all’elevato modulo elastico che ne garantisce un’ottima efficienza.

Da sottolineare che a seconda dello schema cinematico dell’ammortizzatore una parte più o meno grande del peso della molla figura come massa non sospesa ed ha quindi una marcata influenza sulle caratteristiche dinamiche del veicolo.

Per questo motivo sono state condotte diverse sperimentazioni su materiali alternativi all’acciaio che hanno delineato il Titanio come unica valida alternativa al più economico ma pesante acciaio.

Figura 56: Molla ammortizzatore posteriore a diametro e passo costante realizzata da Poggipolini.

Rispetto a quest’ultimo le leghe di titanio, pur consentendo riduzioni della massa di poco inferiori al 40%, presentano un modulo elastico decisamente inferiore e quindi una minore rigidezza intrinseca, caratteristica essenziale per una molla.

Questo problema è stato in parte attenuato con l’utilizzo di leghe in fase beta (vedi molle di richiamo valvole) che garantisce superiori proprietà meccaniche a costo di una maggiore fragilità che però non comporta particolari problemi nelle molle.

Tali considerazioni valgono sia per molle di ammortizzatori posteriori che per le molle interne delle forcelle anteriori (se di tipo telescopico ovviamente).

In quest’ultimo caso la notevole escursione dell’elemento ammortizzante (e quindi l’elevato numero di spire a disposizione) e l’impossibilità di ottenere cinematicamente un comportamento progressivo della sospensione hanno favorito una maggiore diffusione di molle progressive (singole a passo variabile o multiple a passo differenziato).

La riduzione del peso di questo componente inoltre comporta oltre alla diminuzione delle masse non sospese (come nel caso della molla posteriore) anche una certa diminuzione dell’inerzia rotazionale dello sterzo.

· Mozzo ruota posteriore:

Si definisce come mozzo la arte centrale di un elemento rotante vincolato all’albero o ad un apposito elemento di supporto (portamozzo) generalmente riportato per unione o chiodatura (ne esistono anche di integrali, ricavati cioè direttamente nel materiale della struttura portante).

Su tali elementi è da tempo in atto una intensa ricerca di alleggerimento che ho portato all’uso di materiali quali leghe di alluminio, ergal e appunto titanio anche su veicoli di serie al fine di ridurre al massimo l’importante voce delle masse non sospese.

Quello riportato sotto è il mozzo posteriore con relativi accessori inserito nell’ampio forcellone monobraccio del modello MV Agusta F4 elaborato da Poggipolini.

Figura 57: Complessivo del mozzo posteriore in Titanio realizzato da Poggipolini.

· Raggi ruote:

Nelle tradizionali ruote a raggi, (utilizzate su tutte le moto da fuoristrada e nel supermotard per la maggiore resistenza agli urti rispetto a quelle a razze in lega leggera) il raggio costituisce l’elemento di collegamento tra il mozzo ruota ed il cerchione, che comprende il canale in cui è alloggiato il pneumatico ed è sottoposto a trazione dalle sollecitazioni trasmesse dal pneumatico.

Il raggio, generalmente realizzato in acciaio estruso, è costituito da una testa e da un’estremità filettata su cui viene avvitato, in sede di montaggio, l’apposito nipplo, che ne consente il vincolamento al cerchione.

In alcuni casi (vedi alcuni cerchi per moto da trial per pneumatici tobeless) la testa del raggio può essere fissata ad una nervatura disposta lungo la circonferenza interna del cerchione; in questo caso il nipplo vincola l’estremità opposta del raggio al mozzo ruota, su cui sono ricavate delle opportune cave.

Le realizzazioni in titanio di questo componente sono estremamente rare e relative comunque a produzioni artigianali o di after market estremamente esclusive.

Si riporta comunque l’esempio di Poggipolini che ha equipaggiato delle ruote anteriore (con canale da 3,50”) e posteriore (con canale da 5”) da 17 pollici con questo componente.

Figura 58: Raggi Poggopolini in lega di Titanio con relativi nipples in ergal anodizzato. Si notano in alto a sinistra la testa, in questo caso conica, che vincola il raggio al cerchione e nell’estremità opposta la filettatura per il nipplo, montato nei due raggi al centro.

Ulteriore particolarità di questi raggi è il diametro variabile che passa dai 3,5mm della zona filettata (parte esterna della ruota) ai 4mm della testa (parte interna) per una più omogenea distribuzione delle tensioni all’interno del materiale.

Ciascuna ruota così equipaggiata consente un risparmio di peso di 250gr rispetto alla tradizionale saggiatura in acciaio.

· Bulloneria:

Elemento meccanico di collegamento di ampio impiego industriale data la semplicità con cui consente l’assemblaggio e lo smontaggio di componenti di qualunque materiale e dimensione.

Bulloni e relativi dadi e rondelle sono generalmente realizzati in acciaio che garantisce una elevata resistenza meccanica (si ricorda che il necessario preserraggio del bullone ne comporta la messa in trazione a cui si aggiungono le ulteriori azioni di trazione e taglio dovute ai carichi esterni).

Hanno avuto inoltre un discreto successo le realizzazioni in leghe di alluminio, magnesio ed ergal, prevalentemente limitate però ad accoppiamenti soggetti a carichi di modesta intensità (fissaggio dei coperchi carter laterali, carrozzeria e componentistica varia).

Unica alternativa all’acciaio per impieghi più gravosi (bulloneria per fissaggio motore, carter motore, telaietti, piastre forcella, cappello bielle scomponibili, piedini forcelle, etc) è proprio il titanio che permette di rientrare nella classe di resistenza 10.9, a cui corrisponde, secondo normativa UNI 3740/74, una resistenza a trazione di 1000Mpa e un carico di snervamento di 900Mpa.

Figura 59: Alcuni esempi di bulloneria in titanio prodotti dallo specialista LLS di Brescia.

L’impiego esteso su moto stradali può portare ad discreti risparmi di peso ma l’elevato costo in relazione ai benefici ne limita comunque l’utilizzo alle competizioni o ad esclusive realizzazioni artigianali.

La lega più utilizzata è la Ti6Al4V sotto forma di tranci di barra mentre la realizzazione prevede in genere le seguenti fasi:

- forgiatura a caldo della testa: uno spezzone di barra in lega di titanio viene inserito nell’ elettroricalcatrice e riscaldata fino a temperatura ottimale (generalmente controllata automaticamente dal macchinario).

A questo punto la zona destinata a diventare la testa del bullone viene compressa da un puntone che ne realizza la forma.

Figura 60: Forgiatura a caldo della testa del bullone. Si nota al centro la porzione di barra incandescente che verrà pressata dal macchinario.

- Stampaggio a caldo: il componente viene rapidamente posizionato nella macchina per lo stampaggio che gli conferisce le dimensioni quasi definitive del gambo e del raccordo con la testa;

La deformazione plastica a caldo è preferita per l’elevato ritorno elastico a freddo del materiale, di cui si è già parlato nella prima sezione.

Figura 61: Macchinario per lo stampaggio del gambo del bullone.

- rettifica e trattamento termico di distensivo: viene eseguita una tornitura con fresatrici a controllo numerico ad elevata precisione e con bassissima asportazione di materiale;

Figura 62: Rettifica del gambo. Si nota l'abbondante flusso d'acqua per il raffreddamento del componente e per contrastare l’elevata infiammabilità in aria dei trucioli di titanio, di cui si è già accennato nella sezione iniziale.

- lavorazione meccanica della testa: anche questa operazione è eseguita da fresatrici a controllo numerico, che garantiscono elevata precisione e limitate perdite di materiale.

Figura 63: Lavorazione meccanica della testa del bullone.

- rullatura di rifinitura del raggio di raccordo tra testa e stelo, indispensabile per limitare l’effetto di intaglio dovuto alla variazione di sezione;

- rullatura per la filettatura: questa lavorazione non comporta alcuna perdita di materiale e, grazie all’incrudimento che induce nel materiale, consente di ottenere resistenze superiori a quelle conseguibili con lavorazioni meccaniche (che tra l’altro sono molto più lente e costose);

Figura 64:Rullatura per la filettatura del gambo del bullone.

- trattamento superficiale: generalmente al carbonitruro di titanio e può essere seguito da eventuale marchiatura a laser.

· Raccorderia:

Con tecnologie sostanzialmente identiche a quelle utilizzate per la bulloneria vengono anche prodotti raccordi in titanio per i circuiti idraulici degli impianti frenanti e del comando frizione.

Va comunque detto che il materiale più adatto per la realizzazione di questo componente, non sollecitato meccanicamente quanto un bullone, sono certamente le leghe leggere (alluminio o ergal), che risultano estremamente leggere e più economiche rispetto al titanio.

Il fatto però che tali leghe siano vietate per motivi di sicurezza in diverse competizioni (tra cui formula uno), ha incentivato la realizzazione in lega di titanio che pur garantendo standard di sicurezza simili a quelli dell’acciaio permette un considerevole risparmio di peso.

Figura 65: Alcuni tipi di raccordi in titanio dritti, a 45° ed a 90° disponibili nel catalogo Poggipolini. Il fornitore bolognese realizza tra l’altro tubazioni su misura in treccia metallica su specifiche del cliente.

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SEZIONE TERZA: la lega Ti6Al4V

3.1. La lega Ti-6Al-4V:

Questa designazione identifica tutte quelle leghe a base di titanio il cui contenuto di alluminio e vanadio è rispettivamente compreso tra 5.5-6.75% (per l’alluminio) e 3.5-5% (per il vanadio).

In realtà la definizione della composizione di tali leghe impone limiti anche su diversi altri elementi ( carbonio, ferro, idrogeno, azoto, ossigeno e altri) e, come già accennato nella prima sezione, per ciascuna nazione esistono diverse specifiche con limiti leggermente diversi per alcuni elementi.

A titolo di solo esempio esplicativo si riportano alcune delle specifiche di validità europea per la lega Ti6Al4V, con le relative composizioni.

Figura 66: Specifiche europee per la composizione della lega Ti6Al4V;

Oltre a ciò va detto che i diversi trattamenti termici, lavorazioni ed eventuali rivestimenti superficiali cui viene sottoposta una lega con una determinata composizione possono determinare caratteristiche anche molto differenti.

Parlando di Ti6Al4V si intenderà quindi una famiglia di materiali le cui esatte caratteristiche saranno di volta in volta progettate in funzione delle specifiche esigenze.

Fatta questa dovuta precisazione, tra titani legati la lega in esame è certamente quella che ha trovato maggiore sviluppo in campo industriale ed il suo consumo è pari a circa il 50% della produzione totale di titanio.

Come totale si intende ovviamente solo il titanio utilizzato per la produzione di materiali metallici, mentre quantità ben maggiori di titanio in forma ossidata sono impiegate con altre funzioni, come ad esempio pigmenti coloranti).

L’industria aerospaziale ne impiega oltre l’80%, il settore delle protesi mediche circa il 3% mentre il resto si divide tra i restanti impieghi industriali, tra i quali ovviamente anche quello motociclistico.

Questa lega è caratterizzata da un’elevata versatilità, (come dimostrano gli svariati impieghi in campi anche molto differenti) ed è utilizzabile anche a temperature comprese tra i 400 e i 500°C.

Tra le principali varianti di questa lega si nominano la Ti-6Al-4V Grado Eli (Extra Low Interstitial), che presenta tolleranze più strette per quanto riguarda presenza di ossigeno e ferro (0,13% maxO, 0,25% maxFe), ed è caratterizzata da ottima duttilità e resistenza fino a temperature criogeniche (-190°C: azoto liquido; -224°C elio).

Un’altra variante, ottenuta con l’aggiunta dello 0’2% di palladio, è la Ti-6Al-4V Pd che garantisce invece eccellenti doti di resistenza a corrosione, peraltro già ottime nella formulazione di base.

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3.2. PRincipali caratteristiche DELLA LEGA tI6AL4V:

Si è già accennato sulle principali proprietà meccaniche del titanio e delle sue leghe.

Si è anche visto come la composizione e le caratteristiche microstrutturali e morfologiche possono variare in modo considerevole il comportamento del titanio metallico.

Nonostante questo la maggior parte delle considerazioni fatte nella prima sezione dell’elaborato sono da considerarsi valide anche nel caso specifico della lega Ti6Al4V, per la quale si andranno ora ad analizzare più a fondo le singole proprietà fisiche e meccaniche.

Prima però di scendere nel dettaglio di ciascuna caratteristica del materiale sembra opportuno dare un quadro riassuntivo di massima sulle proprietà fisiche della lega in esame in relazione non solo ad alcuni degli altri materiali strutturali concorrenti ma anche al metallo puro di partenza, in modo da poterne meglio comprendere la diffusione commerciale.

Si farà riferimento ai dati riportati nella seguente tabella:

Figura 67: Proprietà fisiche di alcuni materiali metallici;

Si può innanzitutto osservare come alcune fondamentali proprietà fisiche come densità, temperatura di fusione e modulo elastico varino da titanio puro a Ti6Al4V di non più del 2.4%. Anche il calore specifico non subisce enormi variazioni, aumentando però di circa il 10%.

Per quanto riguarda gli altri materiali si ripete quanto già detto:

- bassa densità rispetto agli acciai ( circa –45%), ma maggiore rispetto alle leghe di alluminio e di magnesio (rispettivamente +36% e +61%), con un rapporto prestazioni peso comunque favorevole;

- elevata temperatura di fusione, superiore anche a quella di acciai legati e inox ( circa +7% e + 14% rispettivamente), oltre che, ovviamente alle leghe da fonderia alluminio e magnesio;

- modulo elastico decisamente inferiore rispetto agli acciai (mediamente poco più della metà) ma superiore a quello di alluminio e magnesio legati (rispettivamente di circa +55% e +145%);

- calore specifico paragonabile agli acciai e di quasi il 70% inferiore alle leghe di alluminio e magnesio;

Altre proprietà variano invece in modo considerevole rispetto al metallo puro.

In particolar modo il Ti6Al4V assume proprietà termicamente ed elettricamente isolanti (in termini relativi, si intende) grazie ad una conducibilità termica dimezzata ed una resistività termica (che come noto rappresenta l’inverso della conducibilità elettrica) più che tripla nei confronti del Ti puro.

Rispetto ai materiali confrontati:

- conducibilità termica bassa; gli acciai ed il magnesio presentano valori circa doppi e anche quelli tipici dell’alluminio sono superiori di circa il 50%.

- Come noto le leghe di alluminio e magnesio presentano doti di conducibilità elettrica eccellenti.

La resistività elettrica di questi materiali è infatti di oltre un ordine di grandezza inferiore, e anche per gli acciai si osservano valori notevolmente inferiori ( circa –140%);

Si noti inoltre che per le ultime due proprietà analizzate il titanio puro risulterebbe simile all’acciaio.

Il coefficiente di espansione termica della Ti6Al4V è appena inferiore a quella del metallo puro e significativamente inferiore agli altri materiali considerati.

Per gli acciai legati i valori sono superiori di circa il 40% (e addirittura del 100% per gli inox), mentre per alluminio e magnesio le differenze sono dell’ordine del 170% e del 190%.

Anche se non riportata in tabella sembra opportuno ricordare l’eccellente resistenza a corrosione del titanio.

Nella lega Ti6Al4V questa proprietà subisce un indubbio decadimento ma rimane comunque al di sopra degli standard di leghe leggere e acciai, compresi gli inox.

Per quanto riguarda infine l’allungamento a rottura (da cui dipendono duttilità e tenacità del materiale) va detto che gli eccellenti valori del titanio non legato (mediamente compresi tra il 20% e il 24% a temperatura ambiente) non sono mantenuti per le forme legate. Anche la Ti6Al4V presenta quindi un valore di deformazione a rottura inferiore (mediamente 15 sempre in termini percentuali) che rimane comunque un valore superiore a quello dei già buoni acciai da bonifica (7-10%).

Per le leghe di alluminio e magnesio il discorso è leggermente più complesso dato che questo parametro varia sensibilmente a seconda della tecnologia produttiva.

In generale i componenti ottenuti con processi di fonderia si dimostrano più fragili di quelli ottenuti per deformazione plastica.

Tra le tecnologie di fonderia inoltre la colata in conchiglia garantisce deformazioni a rottura anche doppie o triple rispetto alla colata in sabbia.

In ogni caso i valori rimangono compresi tra il 5 e il 15% per le leghe di magnesio e tra il 2 e il 10% per quelle di alluminio e quindi garantiscono una duttilità mediamente inferiore a quella del Ti6Al4V.

Un’ultima considerazione sulla lavorabilità: le forme legate del titanio risultano in genere più complesse da saldare, lavorare ad utensile e per deformazione plastica.

Tra queste la Ti6Al4V è certamente una di quelle che garantisce il miglior compromesso tra proprietà, versatilità e costo e lo sviluppo di apposite procedure e tecnologie ne permette ormai l’utilizzo in moltissime tipologie di applicazioni.

Fatta questa generica introduzione si vuole ora dare un quadro più dettagliato delle specifiche caratteristiche del materiale in esame in modo da poterne valutare meglio l’utilizzo industriale, sia nelle fasi di progettazione che di realizzazione dei manufatti.

Per fare questo verranno esaminate le sopraccitate grandezze fisiche ed altre di interesse ingegneristico (resistenza a trazione/compressione/snervamento, coefficiente di poisson, carico limite, tenacità a frattura, resistenza alle alte temperature e deformazione a rottura) facendo riferimento al grande numero di dati sperimentali presenti in letteratura.

Resistenza a trazione (o carico di rottura):

La resistenza a trazione è definita come la massima tensione sopportabile dal materiale prima della rottura e è generalmente espressa in MPa.

Per la lega Ti6Al4V può superare il valore di 1200 Mpa in componenti allo stato ricotto e, come già accennato nella prima sezione risulta generalmente inferiore ai valori ottenibili con acciai altoresistenziali (fino a 1500 Mpa per gli acciai da bonifica), ma superiore a quella delle leghe di alluminio (non più di 700 Mpa) e ancor più del magnesio che anche nel caso di componenti laminati a freddo non supera i 260 GPa.

Tale valore risulta peraltro notevolmente influenzato dai trattamenti termici effettuati, con cui si possono ottenere guadagni dell’ ordine dei 200 Mpa e, se pur in modo minore, dal tenore di ossigeno che permette di avere incrementi di 70-100 Mpa.

Figura 68: Effetto del contenuto di ossigeno sulla resistenza a trazione;

Sopra è riportato l’andamento della resistenza a trazione e di resistenza allo snervamento (detta anche carico di snervamento e misurata nelle condizioni di incipiente deformazione plastica) in funzione del contenuto di ossigeno, misurato su campioni sottoposti ad annealing e successivo raffreddamento in aria.

Anche la presenza di fibrature indotte da lavorazioni in campo plastico possono indurre considerevoli aumenti della resistenza a trazione, dell’ordine circa di quelli ottenibili con trattamenti termici.

A titolo di esempio si riportano i valori di resistenza a trazione e snervamento di un provino misurati in direzione rispettivamente parallela e perpendicolare alla fibratura.

Figura 69: Effetto della fibratura indotta da deformazione plastica sulle proprietà meccaniche;

Resistenza a compressione:

Di ovvio significato e come nel caso della trazione questa grandezza varia considerevolmente in funzione dei trattamenti termici eseguiti sul materiale e dei processi produttivi, valgono quindi tutte le considerazioni fatte sopra.

I valori massimi ottenibili sono paragonabili a quelli dei migliori acciai inox austenitici, inferiori di circa il 40% rispetto agli acciai altolegati e più che doppi di quelli tipici delle leghe di alluminio.

Figura 70: Proprietà meccaniche a compressione per alcuni materiali metallici;

Decisamente interessante è inoltre la resistenza a snervamento in compressione delle leghe Ti6Al4V, che raggiungono valori leggermente superiori alla rispettiva grandezza misurata in trazione ,cosa che invece non si riscontra in materiali più prestazionali quali gli acciai da bonifica, per i quali il carico di snervamento a compressione è di circa due terzi rispetto a quello di trazione.

Comportamento a fatica;

Generalmente riferito al limite a fatica che è definito come il carico per il quale si garantisce al 90% l’indennità del componente dopo 2X10⁶ cicli di sollecitazione.

Tale grandezza, (che per le leghe Ti6Al4V può variare tra i 500 e i 700Mpa come riportato nel grafico sotto) è di fondamentale importanza nella progettazione di parti soggette a sollecitazioni variabili con elevate frequenze (come le componenti in moto alterno nei motori a scoppio) e non è propria di tutti i materiali come già accennato nella prima sezione.

Figura 71: Comportamento a fatica per diverse morfologie di Ti6Al4V;

Per la maggior delle leghe leggere sottoposte a carichi ciclici infatti non esiste un valore di tensione al di sotto del quale è garantita una vita indefinita del componente e la progettazione deve quindi essere condotta a termine, ovvero l’integrità è garantita fino e non oltre un certo numero di sollecitazioni (si ricorda il marcato carattere statistico di queste trattazioni).

Le curve sopra riportate consentono di osservare come il comportamento fatica del Ti6Al4V sia notevolmente influenzato dalla morfologia del materiale.

In linea generale si può affermare che tutte le modifiche che comportano un incremento della resistenza a snervamento inducono anche un miglioramento della resistenza a fatica. In particolar modo risultano favorevoli microstrutture alfa aciculari e morfologie a grana fine.

In relazione a quest’ultima si osservano infatti valori di tensioni limite decisamente superiori in campioni sottoposti a raffreddamenti rapidi (durante i quali la velocità di nucleazione dei grani prevale su quella di accrescimento degli stessi, producendo morfologie a grana fine) durante trattamenti termici di solubilizzazione da temperature di stabilità della fase beta.

Figura 72: Effetto della velocità di raffreddamento durante bonifica sul comportamento a fatica;

Nel grafico sotto è rappresentato esplicitamente l’effetto della dimensione dei grani per leghe di titanio preparate con diversi trattamenti termici.

Figura 73: Effetto della granulometria sul comportamento a fatica;

Si può notare per tutte le leghe prese in esame il marcato carattere statistico di tale proprietà, che si manifesta nelle ampie bande di dispersione dei dati sperimentali.

Nonostante ciò i valori medi forniscono un aumento pressappoco lineare del limite di fatica con il diminuire della dimensione dei grani. Altro fattore di fondamentale importanza è lo stato delle superfici la cui scarsa finitura favorisce l’innesco di cricche che possono poi propagare per fatica anche a carichi estremamente ridotti.

A dimostrazione di ciò si riporta la curva sperimentale del limite a fatica per campioni di Ti6Al4V rinvenuti e trattati in modo da indurre stati di sollecitazione residua in superficie.

Figura 74: Effetto delle tensioni residue sul comportamento a fatica;

Risulta evidente come stati di compressione, generando un effetto di chiusura sulle eventuali difettosità, aumentino in modo significativo le prestazioni a fatica del materiale.

Per quanto riguarda il comportamento a fatica oligociclica (caratterizzata da carichi elevati, generalmente attorno al 90% del carico di snervamento, e numero di carichi inferiore ai 40-50000) valgono le medesime considerazioni.

In entrambi i casi comunque la dispersione dei dati sperimentali e il complesso modo in cui microstruttura e morfologia concorrono a variare le proprietà del materiale, fanno si che il comportamento a fatica sia generalmente valutato sperimentalmente caso per caso in funzione delle esigenze.

· Tenacità a frattura:

Tale proprietà è descritta nel modello teorico proposto da Irwin attraverso un parametro (generalmente indicato con la lettera K ) detto FATTORE DI INTENSIFICAZIONE DEGLI SFORZI.

Senza entrare nel dettaglio della complessa e spesso mal digerita meccanica della frattura basti qui dire che il senso fisico di K è quello di fornire una stima dell’effettivo stato di sforzo cui è soggetto il materiale nel caso di presenza di cricche, che chiaramente determinano a livello locale delle condizioni di maggiore criticità. Tale valore è quindi confrontato con un parametro sperimentale (K_c, ovvero K critico), che altro non è che il valore assunto da K in condizioni di incipiente propagazione instabile della cricca (in altre parole se per un certo carico applicato K=K_c vuol dire che il componente si sta rompendo).

La lega Ti6Al4V presenta una buona tenacità a frattura (che vuol dire alti valori di K_c), superiore a quelle delle leghe di alluminio e magnesio ma inferiore a quelle eccellenti degli acciai.

In termini generali si può affermare che le condizioni favorevoli all’incremento di tali caratteristiche sono l’assenza di fase beta non trasformata e la presenza di morfologie lamellari della fase alfa beta. Per impieghi inoltre che richiedono una elevatissima tenacità a frattura si ricorre all’uso della lega Ti6Al4V Grado Eli che ( come mostrato dal grafico sotto) può presentare valori di K_canche doppi rispetto a quelli delle Ti6Al4V con normali tenori di ossigeno.

Figura 75: Effetto dell'ossigeno sulla tenacità a frattura;

I valori tipici di K_c per la lega Ti6Al4V variano tra i33 e gli oltre 110 Mpa*m^1/2 e risultano quindi estremamente variabili in funzione del tenore di ossigeno e dei trattamenti termici eseguiti sul materiale.

In particolar modo trattamenti di solubilizzazione da fase beta (quindi superiori ai 980°C) possono produrre, a parità di resistenza allo snervamento, valori di K_c superiori del 50% rispetto a trattamenti analoghi eseguiti da temperature di stabilità bifasica alfa-beta.

Per quanto riguarda la temperatura del trattamento di annealing si registrano valori crescenti col crescere della temperatura come mostrato sotto.

Figura 76: Effetto della temperatura di ricottura sulla tenacità a frattura;

Risulta inoltre chiaro che eventuali saldature non correttamente eseguite possono indurre seri cali della tenacità a frattura nella zona termicamente alterata, generando di fatto un ciclo di tempra incontrollata a temperatura ambiente (con relativa comparsa di fasi metastabili).

In generale si può anche affermare che processi che portino ad un miglioramento della finitura superficiale e stati di sollecitazione residua di compressione sempre in superficie hanno un effetto migliorativo sulla tenacità a frattura del componente.

Resistenza all’impatto:

Si definisce come l’energia che il materiale è in grado di assorbire durante frattura.

Tale grandezza è strettamente correlata alle già descritta tenacità a frattura e per la sua descrizione valgono quindi le considerazioni sopra.

Le due grandezze non sono in realtà legate da una esatta proporzionalità ma la maggiore economicità delle prove sperimentali di resistenza all’impatto fa sì che questo metodo sia molto utilizzato per fornire dati comparativi sulla tenacità a frattura.

Le prove di impatto sono descritte da normative nazionali e continentali sia per le tipologie di prova IZOD (che realizza l’impatto su un provino vincolato rigidamente ad una estremità), che SHARPY (che realizza un impatto centrale su provino appoggiato alle estremità, che risulta quindi sottoposto a flessione a tre punti).

I valori tipici delle leghe Ti6Al4V per le due prove condotte a temperatura ambiente sono rispettivamente di 20J e 24J (da considerarsi come valori medi orientativi).

All’aumentare della temperatura il favorito comportamento plastico del materiale permette assorbimenti di energia superiori come mostrato dai due grafici sottostanti, tracciati da prove rispettivamente Izod e Sharpy condotte a diverse temperature per provini rinvenuti di Ti6Al4V.

Figura 77: Effetto della temperatura sulla resistenza all'impatto con riferimento a prova Izod (grafico a sinistra) e Sharpy (grafico a destra);

Resistenza alle alte temperature:

Si caratterizza valutando la variazione della precedenti grandezze all’aumentare della temperatura. La lega Ti6Al4V presenta un buon comportamento meccanico fino a temperature ed è comunemente impiegato a temperature anche superiori ai 300-350°C.

Rispetto agli altri materiali di riferimento risulta inoltre inferiore ai migliori acciai da bonifica ed inox austenitici ma nettamente superiore rispetto a alluminio e magnesio, come è del resto logico aspettarsi da materiali che hanno trovato largo impiego in fonderia grazie proprio alle basse temperature di fusione.

Particolarmente importanti ai fini del mantenimento dalle caratteristiche meccaniche sono i trattamenti termici eseguiti sul materiale.

A seguito si riportano a fine comparativo le resistenze a trazione di campioni di Ti6Al4V fino a temperature di quasi 600°C, precedentemente sottoposti a trattamento di annealing e solution treatment ( 1 ora a 955°C, raffreddamento in acqua, invecchiamento di 4 ore a 525°C e raffreddamento finale in aria).

Figura 78: Effetto della temperatura sulla resistenza a trazione;

Analogo discorso per la resistenza a rottura e a snervamento in compressione i cui valori in

funzione della temperatura sono riportati nei grafici a seguito:

Figura 79: Effetto della temperatura sulla resistenza a rottura e snervamento in compressione;

Da notare nel primo dei tre grafici la sostanziale ininfluenza del tempo di permanenza ad alta

temperatura al di sopra dei 30 minuti, segno che il decadimento delle proprietà meccaniche avviene in modo rapido nei primi minuti di esposizione.

Resistenza a creep:

L’ elevata resistenza termica della lega in esame si manifesta anche in un’ottima resistenza al creep, fenomeno di deformazione per scorrimento viscoso che avviene sotto l’azione prolungata di carichi statici e fortemente favorito alle alte temperature.

In condizioni termicamente gravose si può infatti assistere ad un graduale decadimento delle proprietà meccaniche del materiale, che può subire consistenti deformazioni anche sotto l’effetto di carichi ridotti, come chiaramente mostrato dalle curve sottostanti.

Figura 80: Effetto della temperatura sul comportamento a creep;

In generale si può affermare che la fase alfa conferisce migliori doti di resistenza a creep rispetto alla fase beta e che quindi risulta importante valutare attentamente le temperature di annealing (da cui dipendono i prodotti di tempra) cui sottoporre il materiale.

Un modo per incrementare le doti di resistenza a creep dilla lega Ti6Al4V ( buona ma comunque inferiore rispetto a quella di altre leghe di titanio appositamente formulate) senza aumentare troppo la frazione di fase beta (producendo un’infragilimento del materiale) è quello di indurre un’alterazione della struttura cristallina da equiassica ad acculare.

Il grafico sotto è riportato ad esempio degli effetti della microstruttura sulle resistenza a creep.

Figura 81: Effetto della microstruttura sul comportamento a creep;

Modulo di Young:

Definito come il rapporto tra tensione e deformazione in un provino trazionato (ha le dimensioni di una pressione e si esprime generalmente in Gpa = 10⁹ Pa), ed è una delle più rappresentative ed utilizzate proprietà meccaniche dei materiali solidi.

Il valore del modulo elastico per questa lega oscilla in un range abbastanza ampio e comunque intermedio tra i valori tipici dei materiali a base di Titanio.

In letteratura sono riportati valori compresi tra i 100 ed i 130 GPa per la Ti6Al4V, valore abbastanza elevato ma non eccezionale per materiali di impiego strutturale.

Per un raffronto di massima si ricorda che per gli acciai superano generalmente i 200-210 Gpa mentre per le principali leghe di alluminio e magnesio i valori tipici sono rispettivamente di 70 e 45 Gpa.

In generale si può affermare che per questi tipi di lega multifase il valore del modulo elastico è determinato dalla media dei valori delle due fasi (e dipende quindi dalle rispettive frazioni in volume) e che aumenta all’aumentare della concentrazione di stabilizzanti della fase alfa. Anche i trattamenti termici di bonifica hanno una notevole influenza sul valore finale di E, in particolar modo l’ invecchiamento risulta indispensabile per un ripristino a valori accettabili del modulo elastico dopo le operazioni di tempra condotte dalla temperatura di 800°C.

In queste condizioni si assiste infatti ad un brusco calo del modulo elastico come chiaramente evidenziato dal grafico sotto.

Figura 82: Effetto della temperatura di tempra sul modulo elastica;

Con le operazioni di aging (invecchiamento) si può recuperare in buona parte tale variazione con aumenti anche dell’ordine dell’ 8%.

Il progressivo ripristino di é riportato nella seguente tabella per diverse temperature di trattamento e per tempi di trattamento fino alle 100 ore ed a partire da tre differenti provini sottoposti a solution treatment da 800, 1000, 1200°C.

Figura 83: Effetto del tempo di invecchiamento sul modulo elastico;

Piccole variazioni si possono inoltre avere per la presenza di impurità (non oltre il 3% con normali standard qualitativi di produzione), ed in particolar modo di ossigeno come rappresentato sotto.

Figura 84: Effetto del contenuto di ossigeno sul modulo elastico;

Un ulteriore modo per intervenire sulle proprietà elastiche del materiale è quello di sottoporlo a deformazione plastica, in questo modo è possibile indurre la formazione locale di martensite secondaria ( il reticolo cristallino si riassesta in una struttura ortorombica che gli conferisce una elevatissima rigidezza).

A seguito è riportato un esempio relativo ad un provino ottenuto per sinterizzazione a 1260°C sottoposto a solution treatment, tempra in acqua e invecchiamento (il modulo è misurato a temperatura ambiente con tecniche di risonanza).

Figura 85: Effetto della deformazione plastica sul modulo elastico;

Sempre attraverso deformazione plastica è possibile indurre nel reticolo del materiale una fibratura orientata in modo da esaltarne le caratteristiche elastiche in una particolare direzione.

Ad esempio dell’ anisotropia indotta da processi di estrusione e laminazione si riportano i valori di E ottenuti da provini ricavati da una medesima lastra laminata in Ti6Al4.

L’angolo alfa in ascissa esprime l’orientazione relativa del provino rispetto alla direzione di deformazione.

· Raccorderia

BIBLIOGRAFIA