Perché la lavorazione delle leghe di titanio è difficile e quali utensili sono adatti?

Il titanio è un elemento allotropo. Al di sotto degli 882 °C presenta una struttura alfa esagonale a impacchettamento compatto; al di sopra degli 882 °C presenta una struttura beta cubica a corpo centrato. La lega modifica la temperatura di trasformazione e l'equilibrio di fase, dando origine a leghe di titanio alfa, beta e alfa-beta.

Caratteristiche che influenzano la lavorazione meccanica

Perché il titanio è difficile da tagliare

• Il coefficiente di deformazione da taglio è prossimo a 1 o inferiore a 1, il che aumenta lo scorrimento del truciolo lungo la faccia di taglio e accelera l'usura.
• La temperatura di taglio è elevata perché il calore si concentra in prossimità di una zona di contatto tra utensile e truciolo di dimensioni ridotte. A condizioni comparabili, il Ti-6Al-4V può funzionare a una temperatura di taglio più che doppia rispetto a quella dell’acciaio al carbonio di grado 45.
• Sebbene la forza di taglio principale possa essere inferiore di circa 20% rispetto a quella dell'acciaio strutturale, la pressione di contatto può raggiungere il 130–150% di quella dell'acciaio di grado 45, concentrando la sollecitazione sul bordo.
• L’assorbimento di gas e i prodotti di reazione danno origine a uno strato superficiale duro, fragile e non uniforme che compromette la resistenza alla fatica e favorisce la formazione di intaccature, scheggiature e sfaldature.
• L'elevata affinità, la temperatura e la pressione causano una forte adesione e l'accumulo di materiale sull'utensile.
• Una bassa rigidità consente la flessione del pezzo e il ritorno elastico, riducendo l'angolo di gioco effettivo e compromettendo la precisione.

Scelta dei materiali per gli utensili

Le scelte più comuni sono l'acciaio rapido contenente cobalto, alluminio o vanadio; il carburo cementato di tungsteno-cobalto, talvolta con piccole aggiunte di altri carburi; e alcuni tipi di carburo con rivestimento PVD/CVD. I tipi di carburo di tungsteno-titanio e molti inserti rivestiti sono generalmente inadatti a questa applicazione.

Gli utensili in diamante e in nitruro di boro cubico policristallino (PCBN) offrono ottime prestazioni nelle operazioni di finitura e di lavorazione ultraprecisa. Il diamante offre una durezza fino a circa 10.000 HV e un’eccellente conducibilità termica, ma deve essere mantenuto a temperature inferiori a circa 700–800 °C con un adeguato raffreddamento e lubrificazione. Il PCBN presenta una durezza inferiore, ma una stabilità termica superiore a 1.200 °C e un’elevata inerzia chimica nei confronti del titanio, il che lo rende adatto al taglio a secco ad alta temperatura.