Il titanio e le sue leghe hanno un rapporto resistenza/massa molto favorevole. Sono anche resistenti alla corrosione perché la loro superficie sviluppa un sottile, ma molto resistente, strato di ossido. Per questo motivo sono utilizzati laddove sono importanti resistenza, leggerezza e resistenza alla corrosione. Anche se finora gli impieghi del titanio sono stati limitati a causa del costo elevato di produzione, stanno però emergendo nuovi processi che probabilmente ridurranno i costi in modo significativo, permettendo al titanio e alle sue leghe di essere utilizzati più ampiamente.
Impieghi del titanio
La quasi totalità del titanio è destinato ad essere usato in lega con altri metalli. Tra i metalli di lega più importanti ci sono alluminio, vanadio, molibdeno, manganese, ferro, stagno, cromo e zirconio. Uno dei più utilizzati è composto da: 90% titanio, 6% alluminio, 4% vanadio, indicato come Ti-6AI-4V.
L’industria aerospaziale è il maggior utilizzatore di leghe di titanio, utilizzandole nel corpo principale (fusoliera) degli aerei e in altre componenti di motori, carrello di atterraggio e tubi idraulici (Figura 2).
Per gentile concessione di SempreVolando (Wikimedia Commons)
A causa della loro forza e resistenza all’attacco chimico, il metallo e le leghe sono utilizzati dove altri materiali (anche l’acciaio inossidabile) potrebbero deteriorarsi rapidamente, come nell’acqua di mare; per questo vengono utilizzati per la costruzione di eliche per navi, negli impianti di desalinizzazione, nei reattori e tubazioni degli impianti chimici.
Oltre 1000 tonnellate di leghe di titanio sono utilizzate ogni anno nel mondo per realizzare impianti chirurgici, comprese le componenti usate nelle protesi per anca e ginocchio (Figura 3). Sono poi utilizzate negli impianti dentali, per la realizzazione dei perni intragengivali, e nel guscio esterno dei pacemaker cardiaci.
Il titanio utilizzato è una lega, la Ti-6Al-4V. In tutto il mondo ogni anno vengono sostituite circa 1 milione di articolazioni (ginocchio più anche).
Per gentile concessione di National Metals Technology Centre.
Recentemente anche alcuni edifici sono stati rivestiti con una superficie esterna di lastre di titanio puro, con un effetti visivi e architettonici spettacolari (Figura 4).
È stato progettato dall’architetto statunitense Frank Gehry ed è stato inaugurato nell’ottobre 1997. Una delle sue caratteristiche è il rivestito esterno in metallo titanio. Per gentile concessione del dottor Rod Greenhow.
Produzione annuale di titanio
| Mondo | 171 000 tonnellate |
| Cina | 80 000 tonnellate |
| Russia | 42 000 tonnellate |
| Giappone | 30 000 tonnellate |
| Kazakhstan | 9 000 tonnellate |
| Ucraina | 9 000 tonnellate |
U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2016.
U.S. non disponibili
Produzione di titanio
Il titanio costituisce il 0,63% della crosta terrestre ed è il quarto metallo strutturale più abbondante, dopo alluminio, ferro e magnesio.
I depositi di titanio che possono essere estratti e commercializzati si trovano in tutto il mondo. I minerali principali di titanio sono rutilo (TiO2) e ilmenite (FeTiO3) presenti nelle sabbie delle spiagge in Australia occidentale; ilmenite-ematite in Canada) e ilmenite-magnetite in Ucraina, nei depositi di roccia dura (Figura 5). Sebbene il rutilo sia più scarso e costoso dell’ilmenite, è più usato perché non contiene composti di ferro e può essere lavorato più facilmente. Tuttavia, l’ilmenite viene talvolta lavorata per rimuovere il ferro e creare rutilo “sintetico”.
Per gentile concessione di Iluka Resources.
Il processo Kroll
Il processo Kroll è il più importante processo industriale per produrre titanio metallico. Esso consta di quattro fasi:
- clorazione del minerale in cloruro di titanio (IV)
- purificazione del cloruro di titanio (IV)
- riduzione del cloruro di titanio (IV) in spugna di titanio
- lavorazione della spugna di titanio
a) Clorazione del minerale in cloruro di titanio (IV)
Il biossido di titanio è termicamente stabile e molto resistente agli attacchi chimici. Non può essere ridotto utilizzando carbonio, monossido di carbonio o idrogeno, e la riduzione con metalli più elettropositivi è incompleta. Se l’ossido viene convertito in cloruro di titanio (IV), tuttavia, una via verso il titanio diventa percorribile, in quanto il cloruro viene ridotto più facilmente.
Il minerale raffinato viene ridotto in un reattore a letto fluido a 1000°C con coke derivato dal petrolio. Una volta che il letto è stato preriscaldato, il calore di reazione con il cloro è sufficiente a mantenere la temperatura a 1300 K:
b) Purificazione del cloruro di titanio(IV)
Il cloruro di titanio(IV) grezzo viene purificato per distillazione, dopo un trattamento chimico con solfuro di idrogeno o olio minerale per rimuovere l’ossicloruro di vanadio, VOCl3, che bolle alla stessa temperatura del cloruro di titanio(IV). Il prodotto finale è il cloruro di titanio(IV) puro (>99,9%) che può essere usato sia per fare il titanio, che ossidato per ottenere biossido di titanio a sua volta usato per i pigmenti.
I serbatoi di stoccaggio devono essere completamente asciutti in quanto il prodotto subisce una rapida idrolisi in presenza di acqua, generando densi fumi bianchi di cloruro di idrogeno:
c) Riduzione del cloruro di titanio (IV) in spugna di titanio
Il cloruro di titanio (IV) è un liquido volatile. Viene riscaldato per produrre un vapore, poi fatto passare in un reattore di acciaio inossidabile contenente magnesio fuso (in eccesso), preriscaldato a circa 800 K in un’atmosfera di argon. Reazioni esotermiche che danno cloruri di titanio (lll) e titanio (ll) causano un rapido aumento della temperatura, a circa 1100 K. Questi cloruri subiscono una lenta riduzione, quindi la temperatura viene portata a 1300 K per completare il processo di riduzione. Trattasi di un processo piuttosto lungo:
Dopo 36-50 ore il reattore viene rimosso dal forno e lasciato raffreddare per almeno quattro giorni. Il magnesio non reagito e la miscela cloruro/titanio vengono recuperati, frantumati e attaccati con acido cloridrico diluito per rimuovere il cloruro di magnesio. In un metodo alternativo, usato in Giappone, il cloruro di magnesio, insieme al magnesio non reagito, viene rimosso dal titanio mediante distillazione sottovuoto ad alta temperatura.
Il cloruro di magnesio viene elettrolizzato per generare magnesio per la fase di riduzione e il cloro viene riciclato per la fase di clorazione del minerale.
Il titanio viene purificato mediante distillazione sottovuoto ad alta temperatura. Il metallo ha la forma di granuli porosi chiamato spugna. Questo può essere lavorato in loco o venduto ad altre aziende per la conversione in derivati del titanio.
Figura 6 Sintesi della conversione della scoria di titanio in prodotti utili.
d) Lavorazione della spugna di titanio
Poiché la spugna di titanio reagisce prontamente con azoto e ossigeno ad alte temperature, deve essere lavorata sotto vuoto o in un’atmosfera inerte come l’argon. In questa fase si può includere il titanio di scarto e si possono aggiungere altri metalli, se è richiesta una lega di titanio. Un metodo comune è quello di comprimere i materiali insieme per creare un grande blocco, che poi diventa un elettrodo in un crogiolo di fusione ad arco elettrico. Un arco si forma tra il crogiolo e l’elettrodo, causando la fusione dell’elettrodo nel crogiolo dove viene raffreddato e forma un grosso lingotto. Questo può essere ripetuto per produrre un lingotto di “seconda fusione” di qualità superiore.
Processo ITP Armstrong
Il titanio e le sue leghe possono essere prodotti a partire dal cloruro di titanio (IV), utilizzando il sodio al posto del magnesio. Anche se non si tratta di una novità, è stato messo a punto un processo in continuo, piuttosto che a batch, riducendo significativamente i costi.
Il vapore di cloruro di titanio (IV) viene introdotto in un flusso di sodio fuso e il cloruro viene ridotto in metallo. Il titanio ed il cloruro di sodio si formano come solidi e vengono estratti dal flusso di sodio per filtrazione. Dopo aver rimosso il sodio residuo, il metallo di titanio può essere separato dal sale con un semplice lavaggio. Il cloruro di sodio viene essiccato, riscaldato fino a fusione ed elettrolizzato, generando sodio per il riutilizzo e cloro per la fase iniziale di clorazione.
Se il cloruro di titanio (IV) viene miscelato accuratamente con le corrette proporzioni di altri cloruri metallici prima di essere immesso nel flusso di sodio liquido, il risultato è una polvere di lega di titanio di altissima qualità, uno dei principali vantaggi di questo processo. Per esempio, il Ti-6Al-4V viene prodotto additivando cloruro di alluminio e cloruro di vanadio (IV) nelle corrette proporzioni.
Processo FFC Cambridge
La ricerca a Cambridge (Regno Unito) ha portato allo sviluppo di un metodo elettrolitico per ridurre il biossido di titanio direttamente in titanio.
Il biossido di titanio (solitamente rutilo) viene polverizzato e poi trasformato in pellet per fungere da catodo. Viene quindi posto in un bagno di cloruro di calcio fuso e collegato ad un’asta metallica che funge da conduttore. La cella è completata con un anodo di carbonio. Applicando un voltaggio, l’ossido di titanio viene ridotto a titanio e gli ioni di ossido vengono attratti verso l’anodo di carbonio, che viene ossidato a monossido di carbonio e anidride carbonica (Figura 8).
Figura 8 La riduzione elettrolitica dell’ossido di titanio (IV).
Se viene applicata una tensione molto più alta il meccanismo è diverso. Il calcio si deposita al catodo e reagisce con il biossido di titanio per formare il titanio e gli ioni di calcio vengono rigenerati.
Il processo è molto più semplice rispetto ai metodi esistenti, funziona a temperature più basse (risparmio di costi energetici) e ha un minore impatto ambientale. Ha il potenziale di ridurre i costi di produzione in modo significativo, rendendo possibile l’applicazione dei vantaggi del metallo di titanio ad una gamma più ampia di prodotti finali.
Il processo viene preso in considerazione anche per la produzione di altri metalli, ad esempio il tantalio.
Ultimo aggiornamento 5 Ottobre 2016
Edizione italiana a cura di Francesca Caprioli e Valter Ballantini 9 dicembre 2020
Foto in alto di Galen Crout su Unsplash