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Il futuro delle bici è nel titanio?

Bikelife, Materiali, Meccanica • di

Meno diffuso del trittico acciaiofibra di carbonioalluminio, il titanio raccoglie consensi sempre più ampi, nonostante la pecca di una lavorazione tutt’altro che semplice. Un materiale dal nome altisonante (derivato da una figura della mitologia greca), dal costo non proprio accessibile ma dalle strabilianti qualità meccaniche. Chi l’ha provato racconta di una bici leggera come l’alluminio, scattante e robusta come l’acciaio e performante e resistente come la fibra di carbonio. Sarà capace di scalzare il composito oppure si attesterà come quarta scelta, magari per ciclisti estrosi o particolarmente affascinati dalle novità?

Indice
Cos’è il titanio
Gradi del titanio
Saldare un telaio in titanio
I vantaggi del titanio
Concludendo

Cos’è il titanio e come viene utilizzato


Bici in titanio

Il titanio non è un minerale reperibile liberamente in natura, bensì viene ricavato tramite procedimenti chimici da un minerale denominato ilmenite, dove l’elemento titanio è legato a minerali di ferro. Attraverso procedimenti chimici con acidi cloridrico prima e solforico poi, il titanio viene liberato dalla lega con il ferro e si presenta puro e lavorabile.

Ci è voluto più di un secolo per “trovare una quadra” per l’estrazione del titanio dall’ilmenite e ancora oggi rimane un procedimento molto costoso. Dopo la reazione con gli acidi si ottiene il tetracloruro di Titanio, che viene fatto reagire con il magnesio per ottenere una sorta di spugna, che attraverso procedimenti metallurgici viene “additivata” con altri minerali per aumentarne le caratteristiche di resistenza meccanica, dando vita alle leghe di titanio, che si differenziano dal titanio puro poiché legate con altri minerali come il Vanadio.
La sua applicazione nel campo ciclistico risale agli anni ’70, contemporanea alle prove con i prototipi in alluminio, elemento con il quale condivide alcune caratteristiche di leggerezza.

I gradi del titanio


Il titanio commercialmente si presenta in gradi, ovvero differenti leghe che partono dal materiale allo stato più puro a quello legato con altri elementi. In breve i gradi del titanio sono:

Grado 1: il più puro esistente. E’ facilmente formabile e possiede elevatissima resistenza alla corrosione;
Grado 2: il più utilizzato nell’industria, condivide con il grado 1 la forte resistenza alla corrosione ma si presenta più resistente alle sollecitazioni meccaniche;
Grado 3: dedicato soprattutto all’aeronautica;
Grado 4: il più resistente meccanicamente tra i gradi di titanio puro;
Grado 5: lega di titanio e vanadio, ha un coefficiente di rottura molto elevato ma una duttilità più bassa, che lo rende difficile da lavorare alle macchine utensili, nonostante una buona saldabilità che lo rende idoneo all’utilizzo in ambito ciclistico;
Grado 7: si tratta di una lega di titanio con minerali di palladio, che permette di raggiungere caratteristiche meccaniche e chimiche simili a quelle del grado 2, aumentando la sua saldabilità, per questo è il più usato nel mondo delle biciclette, anche per via della facilità di reperimento sul mercato;
Grado 9: detto anche 3Al – 2,5V, poiché formato da un 2.5% di vanadio è una lega facilmente saldabile, con un carico di rottura (ovvero la massima forza in grado di romperla) molto alta e un’elevata resistenza alla corrosione ed è la lega più utilizzata in ambito ciclistico;

Saldare un telaio in titanio


La realizzazione di un telaio in titanio è molto particolare e necessita di apparecchiature specifiche. Infatti questo materiale è molto difficile da lavorare alle macchine utensili, per via della sua durezza, e richiede elevate coppie e numeri di giri. Inoltre la sgolatura e la preparazione dei tubi deve essere fatta a mano, poiché lavorarlo con mole o tagliatubi meccanici ne comprometterebbe le caratteristiche. La sua elevata saldabilità (soprattutto del grado 9) è soggetta all’influenza dell’ossigeno, azoto e idrogeno presente nell’aria.

Durante la saldatura il titanio si riscalda e diventa molto reattivo con gli elementi atmosferici, che si legano e ossidano la saldatura e indebolendo irrimediabilmente il materiale. Per questo è necessario saldarlo in atmosfera protettiva di argon, gas inerte che isola il materiale e impedisce all’ossigeno di legarsi (un po’ come avviene nella saldatura TIG, della quale abbiamo già parlato). La saldatura in atmosfera protettiva avviene inserendo le tubazioni da congiungere, la pinza con l’elettrodo in tungsteno e le bacchette per apporto in una campana di vetro nella quale viene pompato argon per saturarla ed espellere l’ossigeno, mentre il saldatore, dall’esterno, effettua la giunzione.


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Potete capire da voi che i costi per questa tipologia di lavorazione sono davvero elevati. Esiste un sistema per ovviare a questo problema e riuscire a saldare il Ti anche al di fuori della campana ed è una procedura utilizzata nel settore aereonatuico per la saldatura delle verghe di titanio che sono la base strutturale dei veivoli. Utilizzando il classico sistema di saldatura TIG, si utilizza però un cono di Argon maggiorato (denominato gas lens), quindi con un volume più ampio, in grado di coprire l’intera saldatura e proteggerla così dalle insidie dell’ossigeno.

Bici in titanio

I vantaggi del titanio


Bici in titanio

Abbiamo visto come il titanio sia molto costoso per via del complesso procedimento chimico per la sua estrazione e la difficile lavorazione, che richiede esperienza, capacità e macchinari appositi. Perché dunque proporlo come materiale per telai di biciclette? Ecco a voi qualche motivo:

Densità: il titanio ha una densità (rapporto peso per unitò di volume) che è circa la metà dell’acciaio, anche se si mantiene doppia rispetto a quella dell’alluminio. Queste però sono le caratteristiche di densità dei materiali puri e come sappiamo l’alluminio ha bisogno di tubazioni maggiorate per resistere alle sollecitazioni meccaniche imposte dall’uso. Per queste considerazioni il gap tra alluminio e titanio in termini di peso si riduce;

Resistenza a trazione e a compressione: il titanio possiede un’elevata resistenza a trazione, ovvero un valore di resistenza allo snervamento (cioè alla deformazione plastica permanente) dell’ordine dei 725Mpa per il grado 9. Un valore notevole, che lo rende perfetto per la costruzione di telai per biciclette. Infatti le forze più comuni che agiscono sui telai si svolgono lungo le direttrici longitudinali o trasversali del telaio, “tirandolo” o “accorciandolo”;

Rigidezza: quando applichiamo una forza su un telaio, il materiale si deforma per assorbirla, per poi ritornare nella forma originale una volta che la forza cessa di agire. Questa caratteristica si chiama deformazione plastica che lavora al di sotto del limite elastico, ovvero il carico massimo applicabile senza che vi sia deformazione permanente. Più è alta la forza, più il materiale si deforma per “accoglierla”, per poi riportarsi alla posizione originale una volta esaurito il carico. Il valore della rigidezza di un materiale è molto importante quando si parla di biciclette, poiché rappresenta l’ordine di grandezza delle forze alle quali può resistere prima di rompersi. Il titanio in questo caso batte acciaio ed alluminio;

Resistenza alla fatica: l’abbiamo imparato, i telai delle biciclette sono sottoposti a fatica e devono resistere a cicli di lavoro ripetuti nel tempo, che affaticano il materiale e producono una rottura di schianto difficile da prevedere. Il titanio eccelle per resistenza a fatica, tanto che alcuni lo considerano un materiale eterno, alla pari della fibra di carbonio, che però soffre l’influsso dei raggi UV;

Resistenza alla corrosione: la corrosione atmosferica è un aspetto subdolo quanto la fatica, perché indebolisce il materiale in modo lento ma graduale. L’ossidazione, lavorando pazientemente, corrode lo spessore del tubo, diminuendo la sezione resistente e abbassando così il valore reale delle forze alle quali può resistere. Il titanio, se lavorato correttamente, è immune alla corrosione atmosferica, infatti viene utilizzato nelle coperture esterne di palazzi, poiché lo strato esterno del titanio è già ossidato da un film resistentissimo.

Concludendo


Bici in titanio

Un telaio in titanio non è alla portata di tutti, visto il costo intrinseco del materiale e le dispendiose tecniche di lavorazione. Si tratta però di un materiale pregiato, dalle elevate caratteristiche di resistenza meccanica e a fatica e praticamente immune alla corrosione atmosferica e all’invecchiamento. I ciclisti esigenti, che vogliono una bici dal telaio affidabile, che non li lasci mai a piedi ma che sia leggero e scattante quanto un telaio in acciaio, devono rivolgere lo sguardo verso questo materiale.

Di contro esistono poche case ciclistiche che propongono modelli completi di bici con telaio in titanio, per cui di solito ci si rivolge a ditte specialistiche che assemblano il telaio e poi il meccanico effettuerà il montaggio dei componenti scelti.






2 Risposte a Il futuro delle bici è nel titanio?

  1. Luigi Virgili ha detto:

    Salve, mi chiamo Luigi…chiedo scusa per l’intromissione, ma leggendo l’articolo credo sia stata utilizzata in maniera non appropriata la definizione di “deformazione plastica” di un materiale. Una lega metallica (ma lo stesso dicesi per tutti i materiali) resta nel campo della deformazione elastica fin quando, cessato il carico sollecitante, questi tende a riacquistare naturalmente la sua forma originale. Si supera invece il campo di elasticità quando il carico applicato è tale da deformare permanentemente il componendo. In altre parole sconfino dal campo elastico in quello plastico quando eliminato il carico e/o la sollecitazione resta la deformazione.
    Cordialità

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