Titanio leghe di Titanio e applicazioni nel settore automobilistico 1 1

TIG

l TIG (Tungsten Inert Gas) è quello adoperato con maggiore frequenza. L'elettrodo infusibile di

Tungsteno è coassiale alla torcia e tra i due fluisce il gas inerte che

protegge il bagno di fusione e la ZTA(zona termicamente attiva). Il

materiale d'apporto (grigio) 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. [13,19] Figura 5.1 [13]

Saldatura di tipo TIG

MIG

l processo MIG (Metal Inert Gas) si usa invece per lamiere di almeno 3.5mm ed è più rapido e più

economico del TIG per spessori superiori ai 7mm. In questo caso il materiale d’apporto (sempre in

grigio) scorre coassiale all’elettrodo. Per quanto riguarda il materiale d’apporto si può dire che in

generale per il Titanio non legato si usano delle leghe di tipo α, che conferiscono maggiore tenacità

al giunto, mentre per le leghe si preferisce optare per materiali quanto più possibile simili a quello

di base.[19 ]

PAW

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: è un processo di saldatura dove

il gas viene ionizzato, cioè plasma, mentre la torcia che viene utilizzata presenta un elettrodo di

tungsteno infusibile. La caratteristica fondamentale del plasma è di riuscire a catturare un'enorme

quantità di calore e di trasportarla sui lembi da fondere. In queste applicazioni la temperatura può

arrivare a 20.000 °C, valore impensabile per altre operazioni di saldatura.[19]

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Capitolo 6

Applicazioni del Titanio in campo automobilistico

In questa capitolo si cercherà di fare un dettagliato resoconto sullo stato dell’arte dell’impiego delle

leghe di Titanio nella realizzazione di componenti meccanici, analizzando la componentistica di

motore e strutturale realizzabile con questo materiale. Si farà riferimento alle tecnologie utilizzate

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nel mondo delle competizioni, a componenti impiegati nelle produzioni di serie e molto

brevemente, nella parte conclusiva, al suo utilizzo nel settore aerospaziale e militare .

Per capire l’enorme potenzialità del Titanio è sufficiente osservare attentamente la figura :

Molle e

sospensioni

Valvole

Bielle Impianto di

scarico

Supporti e prese freni; viti per

Il suo campo di applicazione va da elementi di trasmissione del moto,

fissaggio pinze e/o adattatori

come ingranaggi e sistemi biella-manovella, a elementi fissi di

collegamento come, viti e bulloni. A questi vanno spesso aggiungi gli elementi meccanici soggetti a

moti fluidodinamici come valvole, condotti di alimentazione e scarico.

6.1 Componentistica di motore:

Verranno qui esaminati tutti gli organi ed accessori dei motori a combustione interna per i quali è

stato sperimentato l’utilizzo delle leghe di Titanio. Tra questi verrà data particolare importanza alle

bielle e alle valvole che hanno trovato notevole diffusione nei motori ad alta potenza specifica

(anche su veicoli di serie). Le leghe di Titanio sono chiaramente superiori agli altri materiali

metallici quando il componente è destinato a massima resistenza o massima resistenza a fatica,

diventando un materiale irrinunciabile nel campo delle competizioni.

Come già evidenziato precedentemente, il principale vantaggio dell’utilizzo del Titanio rispetto a

leghe ferrose con equivalente resistenza (acciai inossidabili altamente legati) è il suo basso volume

specifico. A titolo esemplificativo, un albero motore forgiato in lega di Titanio ( ad esempio Ti 6-4

una lega a base di Titanio con il 6 % di Alluminio e 4 % di Vanadio) pesa la metà di un suo

equivalente in acciaio legato. Oltre a questo dato, queste leghe hanno un comportamento alle alte

temperature migliore di qualsiasi altro materiale finora conosciuto, con esclusione delle superleghe

al Nichel, Cromo o refrattarie (paragrafo 4.2). In particolare sopra i 500 °C una lega al Titanio,

possibilmente α + β, è universalmente considerata l’unica scelta possibile nell’ingegneria dei

materiali per poter ottenere, contemporaneamente, vantaggi di peso, resistenza e prestazioni

indipendentemente dai costi, decisivi solo per la produzione in serie. I produttori sono pronti ad

utilizzare materiali anche molto costosi nelle auto (e nelle moto), se ciò contribuisce a ridurre le

masse rotanti e quelle in moto alterno.

Biella

6.1.1 52

Indubbiamente l’organo meccanico più sollecitato meccanicamente (forza/superficie e inerzia)

durante la conversione di energia termica, di un motore a combustione interna (ciclo Otto, Diesel, 2

o 4 tempi), in energia meccanica è la biella. Ovviamente queste sollecitazioni sono tanto più

elevante quanto più alto sarà il regime di rotazione e quindi le prestazioni richieste. Ad incrementare

ulteriormente l’inerzia sono la fasatura e la qualità delle valvole, ma questo verrà ripreso nel

prossimo paragrafo . Figura 6.1 [7]

Biella con testa del pistone

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. E’ fondamentale quindi che la biella sia il più

resistente e leggera possibile dovendo minimizzare, anche, la propria forza di inerzia trasmessa alla

manovella e quindi all’albero motore.

Nei motori stradali di serie, gli alberi a gomito e le bielle vengono realizzate in ghisa a grafite

sferoidale e sono ottenuti per fusione. Il risultato è il prezzo notevolmente basso e vantaggioso per

una produzione così numerosa e prestazioni tutto sommato all'altezza delle esigenze comuni. Fanno

eccezione alcuni motori Honda che adottano bielle e alberi in acciaio anche per la produzione

stradale.

Molto diverso è il caso dei propulsori alto prestazionali. In questi casi le bielle sono ricavate in un

sol pezzo (la testa della biella non è scomponibile) ed hanno così una resistenza molto più elevata

che permette loro di raggiungere giri motore molto più elevati. Sempre per questo motivo nei

motori da competizione (ad esempio in F1 ogni combustione genera una spinta di alcune tonnellate

e accelerazioni di oltre 10.000 giri) la loro realizzazione dev’essere fatta con materiali ad elevato

rapporto resistenza/densità, come il Titanio che rimane l’unica vera alternativa all’acciaio

permettendo un notevole innalzamento dei limiti di rotazione del motore (circa 700 giri nei motori

da competizione rispetto ai migliori acciai) e a parità di affidabilità, un risparmio di peso

mediamente attorno al 40%. In realtà i rivestimenti superficiali, soprattutto nelle zone più critiche

(diametro maggiore, temperature più elevate) riducono il risparmio a circa il 30%.

Questo semplice confronto dimostra, ancora una volta, l’importanza della scelta del materiale per il

successo commerciale di un componente o di un prodotto. Fare quindi la scelta giusta significa

conoscere a fondo le caratteristiche, le proprietà e i limiti del materiale.

Naturalmente, non è possibile affidarsi al Titanio puro data la sua tendenza all'ingranamento cioè a

grippare con i materiali adiacenti. Tra i principali elementi di alligazione adoperati per ottenere

leghe con buone prestazioni troviamo: Molibdeno, Alluminio, Vanadio, Zirconio. Tali elementi

migliorano le lavorazioni alle macchine utensili successive alla forgiatura; aumentano notevolmente

la resistenza all'usura anche alle elevate temperature. I problemi di attrito del Titanio vengono risolti

con: Molibdeno, carburi di Wolframio, nitruri di Titanio. Questi ultimi elementi vengono riportati

sulla superficie del componente in Titanio tramite trattamenti al plasma.

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Per quanto riguarda i fenomeni di strisciamento e l’influenza della temperatura, questi sono

piuttosto contenuti sulle bielle rispetto, per esempio, alle valvole. Da una parte l’utilizzo di bronzine

o cuscinetti opportunamente lubrificati riduce le forze di attrito e l’ usura abrasiva, dall’altra parte

l’effetto schermante del pistone diminuisce la temperatura sulla biella. Infatti questi fenomeni sono

secondari in fase di progettazione e non incidono sulla scelta del materiale.

Il problema principale delle bielle di Titanio è che "tendono ad allungarsi” diventando più instabili

rispetto all’acciaio. Come visto nel paragrafo 4.3 una proprietà meccanica dagli acciai è il modulo

di elasticità (modulo di Young) ovvero la resistenza alla deformazione elastica, che tocca i 210.000

2

mm

N/ nelle migliori leghe di acciaio; ricordo che a valori maggiori corrisponde maggiore

rigidità del materiale. Il valore dell'acciaio è circa il doppio di quello del Titanio (110.000 N/

2

mm ). Il Titanio essendo più duttile tende ad allungarsi più dell'acciaio. Tuttavia nei motori da

corsa, dove le bielle vengono sostituite spesso, questo non è un problema ed il vantaggio della

leggerezza prevale sulle altre considerazioni possibili.

Le composizioni di maggiore impiego sono la Ti 6Al-4V e le più economiche Timetal 62S e la

recente Ti 4Al2V0.1Si0.3REM che garantisce un’ottima lavorabilità a caldo. Esistono anche

composizioni specificamente sviluppate per produzioni di grande serie come la Ti-64Al definita

da Honda per motori 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.

6.1.2 Valvole e sistema di iniezione

Pochi componenti del motore sono sottoposti a sollecitazioni paragonabili a quelle che devono

sopportare le valvole di scarico lambite dai gas, ad altissima temperatura, in uscita dal cilindro. Per

le valvole di aspirazione il problema non esiste in quanto vengono raffreddate dalla miscela aria-

combustibile (o dalla sola aria, nei motori ad accessione spontanea) che entra nel cilindro.

Figura 6.2 Ingrandimento di una valvola completamente (fungo e stello) in

[7]

Titanio

Per avere un’idea delle condizioni di lavoro delle valvole, si pensi che quando il motore ruota a

6000 giri/min, ognuna di esse si apre e si chiude 50 volte al secondo.

I motori di Formu