Il titanio è un elemento metallico scoperto nel 1791 in una valle della Cornovaglia dal reverendo inglese William Gregor. I primi utilizzi applicativi del titanio (fine anni Trenta) riguardano il settore militare: carri armati, aerei, sommergibili, ecc. Dalla seconda metà del XX° Secolo, il suo utilizzo aumenta sempre più perché le elevate proprietà meccaniche e la bassa densità delle leghe di titanio consentono di realizzare strutture con peso inferiore al 50% di quello delle strutture realizzate con acciai convenzionali.
Attualmente, grazie soprattutto all'ottimo rapporto resistenza/peso, il titanio viene usato nelle costruzioni aeronautiche, per la realizzazione di componenti per turbine, motori per jet, strutture aeree, ecc. È, inoltre, particolarmente indicato in tutti i casi in cui è richiesta una particolare resistenza alla corrosione; viene anche usato per la fabbricazione di contenitori per rifiuti nucleari, di caldaie e tubazioni per i desalinizzatori per la potabilizzazione dell'acqua marina. Anche nel campo delle costruzioni navali il suo utilizzo è in aumento.
In chirurgia medica le leghe di titanio, grazie alla loro ottima biocompatibilità, vengono usate con successo per la realizzazione di valvole cardiache, come rivestimento per apparecchi bioimmersi come i pacemakers, articolazioni per le anche, perni per ossa frantumate, apparecchi acustici, ecc.; in chirurgia maxillofacciale queste leghe sono impiegate per la realizzazione di lamine di ricostruzione (pelli artificiali). Inoltre, a seguito del suo successo come materiale di rivestimento per il museo di Guggenheim a Bilbao in Spagna, il titanio viene valutato come materiale architettonico; infine, è utilizzato per fare montature per occhiali, pezzi per automobili, motociclette, biciclette, sci, mazze da golf e racchette da tennis.
Nonostante la sua grande diffusione come elemento impuro in natura, il costo del titanio metallico puro utilizzabile per scopi industriali è tuttora piuttosto elevato a causa delle caratteristiche del mercato mondiale, tipicamente oligopolistico. Inoltre, il prezzo del titanio metallico puro rimane elevato poiché gli attuali processi industriali, basati principalmente su tetracloruro di titanio, non permettono di ottenere il metallo puro a condizioni vantaggiose dal punto di vista economico.
Il Titanio in Natura e le sue Fonti
Il titanio è il nono elemento più diffuso all’interno della crosta terrestre, costituendone lo 0,6% in peso, ed è, sempre per abbondanza, il quarto elemento metallico fra i metalli strutturali dopo alluminio, ferro e magnesio. Esso non si trova allo stato puro in natura, ma si presenta sotto forma di ossidi complessi, generalmente diossido di titanio cristallino (TiO2) in cui sono presenti varie impurità (soprattutto ferro ed elementi alcalini).
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I materiali utilizzabili commercialmente per ricavare titanio (materiali titano-ferrosi) contengono quantità variabili di diossido di titanio (dal 10% al 95%). Anche se presente in piccole quantità in gran parte dei minerali, in ciottoli, nel suolo, nelle piante, nella cenere di carbone, ecc., i minerali da cui effettivamente si ricava titanio, cioè quelli contenenti oltre l’1% in peso del metallo, sono per lo più rocce ignee, in cui esso forma il componente acido dei magmi basici ed il componente basico dei magmi acidi.
Attualmente le fonti di titanio di maggior interesse sono ilmenite, rutilo, leucoxene ed anatase. L'ilmenite è presente principalmente come sabbia nera in Australia, Africa del Sud, India, USA e Malesia, ma anche in depositi di roccia dura in Canada, Norvegia ed USA. Il leucoxene è un ilmenite alterata, concentrata ad un contenuto di diossido di titanio maggiore (oltre 60%) ed è, quindi, direttamente collegata alla presenza di giacimenti di ilmenite sulla crosta terrestre. Il rutilo si trova in giacimenti di sabbia situati in Australia, Sierra Leone ed Africa del Sud.
Proprietà e Caratteristiche del Titanio
Il titanio (di cui è riportata in seguito una scheda con i principali valori numerici delle proprietà), situato nel IV gruppo della tavola periodica con numero atomico 22, ha proprietà eccellenti dal punto di vista ingegneristico. Esso mostra bassa densità, alta resistenza (resistente quanto l’acciaio e due volte più dell'alluminio), basso modulo di elasticità, bassa conducibilità termica, bassa espansione termica, eccellente resistenza a corrosione, facilità di lavorazione, biocompatibilità, periodo di dimezzamento radioattivo estremamente corto (che consente il suo uso nei sistemi nucleari), non è magnetico ed è in grado di sostenere temperature estreme (grazie al suo alto punto di fusione).
Inoltre, il titanio è immune all'attacco corrosivo dell'acqua salata o degli ambienti marini ed esibisce un’eccezionale resistenza ad una vasta gamma di acidi, di alcali, di acque naturali e di prodotti chimici industriali; infine, offre una grande resistenza agli attacchi di erosione, alla cavitazione ed agli urti. Il titanio estratto dai minerali, una volta reso puro, si presenta bianco e brillante, è duttile solo se contiene quantità di ossigeno trascurabili, si brucia in aria ed è l'unico elemento che si brucia in azoto puro.
Il titanio naturale presenta cinque isotopi, tutti stabili, con masse atomiche da 46 a 50; inoltre, sono conosciuti altri otto isotopi instabili. Il metallo naturale è noto per diventare molto radioattivo dopo il bombardamento con i deuteroni; le radiazioni emesse sono principalmente positroni e raggi gamma duri.
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Il titanio può esistere in due forme cristalline: la prima è alfa e corrisponde ad una struttura cristallina esagonale compatta, stabile a basse temperature, mentre la seconda è beta che ha una struttura cubica a corpo centrato, stabile alle alte temperature. Nel titanio non legato (titanio puro, senza elementi in lega aggiunti), la fase alfa è stabile a tutte le temperature fino a 882°C, dove si trasforma in fase beta; questa temperatura è conosciuta come temperatura di “beta transus” e la fase beta è stabile da 882°C al punto di fusione.
Questo metallo ha una temperatura di ebollizione pari a 3285°C ed un alto punto di fusione (1660°C), in virtù del quale il titanio può essere considerato per applicazioni in blindature balistiche. Il titanio è caratterizzato da un basso valore di densità (4.54 g/cm3), approssimativamente 56% di quella dell’acciaio.
Leghe di Titanio
Il titanio puro, al di sotto degli 882°C, è presente in fase esagonale compatta e si chiama titanio alfa. Mediante riscaldamento, quando si arriva ad una temperatura di 882°C, temperatura di Beta-TRANSUS per il titanio puro, si passa ad una struttura cubica a corpo centrato e il titanio diventa titanio beta. Tutto ciò vale per il titanio non legato o titanio puro.
Nel momento in cui si introducono degli elementi in lega, questi possono essere classificati come elementi alfa-stabilizzanti o beta-stabilizzanti. Ciò significa che se si mette un elemento alfa-stabilizzante, come per esempio l’alluminio, l’ossigeno, l’azoto, il carbonio o il gallio, all’aumentare della concentrazione di questo elemento legante, la temperatura al di sopra della quale c’è solo la fase beta, sale. Questo perché questo elemento stabilizza la fase alfa ovvero la fase alfa esiste per temperature più elevate.
Se si aggiunge un elemento beta stabilizzante, al crescere della concentrazione del beta-stabilizzante, si avrà un abbassamento della temperatura di beta-TRANSUS perché questo elemento tende a stabilizzare la fase beta a temperatura ambiente. In ambito dentale si utilizzano delle leghe di titanio e, in particolare, le leghe con alluminio o vanadio sono quelle maggiormente utilizzate (Ti6Al4Va o titanio grado 5 che è ampiamente utilizzata in campo biomedicale).
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Se si cambia la struttura cristallografica del materiale cambiano le sue proprietà meccaniche. Il moto delle dislocazioni, in particolare, risulta favorito sui piani più densi perché gli atomi sono più vicini e quindi la dislocazione si muove più facilmente. Nella struttura esagonale compatta si ha un solo sistema di scorrimento mentre nelle strutture cubiche a corpo centrato e cubiche a facce centrate si hanno 12 sistemi di scorrimento. Questo significa che queste strutture sono più duttili rispetto all’esagonale compatta, quindi si possono deformare più facilmente.
Avere, ad esempio, una lega alfa-beta permette di sfruttare la lavorabilità del materiale e quindi anche le problematiche tecnologiche, connesse alla realizzazione di un componente, possono essere regolate scegliendo opportunamente le fasi che si trovano all’interno del materiale.
Proprietà delle Leghe di Titanio nel Settore Biomedicale
Queste proprietà sono comuni alle principali leghe del titanio, con leggere variazioni in alcuni casi:
- È un materiale leggero.
- Ha buone proprietà meccaniche dal punto di vista del modulo elastico e della resistenza a fatica.
- Ha bassa conducibilità termica.
- Ha un basso coefficiente di espansione termica.
- Ha un basso punto di fusione.
- Ha una buona resistenza alla corrosione.
Inoltre, il titanio è un materiale radio-opaco per cui si vede su una radiografia e questo è estremamente importante nel settore odontoiatrico. Un altro aspetto da non sottovalutare è il fatto che il titanio abbia una assoluta neutralità gustativa, quindi non rilascia una sostanziale quantità di ioni. Il paziente dal punto di vista organolettico non percepisce l’impianto e questo è estremamente importante.
Titanio come Materiale Leggero
La densità che è il parametro fisico che valuta la leggerezza del titanio vale 4,5 g/cm3 ed è il rapporto tra la massa e il volume occupato. Per l’acciaio, la densità varrebbe 7,9 g/cm3. Ciò significa che la densità del titanio è quasi la metà della densità dell’acciaio. Quindi la stessa vite dell’impianto dentale in titanio peserà la metà. Dal punto di vista del comfort del paziente sicuramente sarà un vantaggio.
Comportamento Meccanico
Le proprietà importanti nel titanio sono il modulo di elasticità e la resistenza alla fatica perché entrambe queste proprietà sono cruciali per poter utilizzare il titanio nelle applicazioni odontoiatriche. Il modulo elastico è il coefficiente che lega lo sforzo alla deformazione; nel titanio vale 106GPa, circa la metà rispetto a quello dell’acciaio (intorno 210GPa). Il titanio quindi è estremamente flessibile rispetto all’acciaio: l’acciaio risulta al contrario molto più rigido.
Il modulo elastico è importante in un materiale a contatto con l’osso. Il titanio ha modulo elastico di circa 106GPa e le leghe hanno un valore di modulo elastico leggermente più alto. Nel caso dell’acciaio ci si avvicina a 200GPa e stessa cosa vale per il caso del cobalto. Il modulo elastico dell’osso corticale è, in un ordine di grandezza, al di sotto di qualche unità rispetto a quello del titanio (circa 15Gpa). Il titanio dunque ha il modulo elastico più vicino a quello dell’osso corticale, tra i materiali metallici a disposizione.
L’impianto deve quindi limitare il fenomeno detto stress shielding per evitare il riassorbimento osseo. Un modulo elastico non uguale a quello dell’osso ma più vicino ai materiali attualmente a disposizione, farà si che l’osso continui ad essere caricato evitando il riassorbimento.
Resistenza alla Fatica e Durezza
La resistenza alla fatica del titanio vale 0,5-0,65 volte la resistenza alla trazione. La rugosità del materiale va tenuta in considerazione perché potrebbe avere un riscontro dal punto di vista meccanico. Tra i materiali metallici, il titanio ha una durezza piuttosto bassa (è minore di 120HB). La durezza aumenta con l'introduzione di elementi in lega o aumentando l’ossigeno all’interno del titanio stesso.
Resistenza alla Corrosione
La resistenza alla corrosione è uno dei pregi del titanio. La corrosione è un fenomeno elettrochimico di cui tutti facciamo esperienza. Gli atomi metallici si ionizzano, vanno in soluzione, si combinano con l’ossigeno o altri elementi nella soluzione a contatto con il metallo e formano dei composti che si staccano dal pezzo metallico e si dissolvono (la ruggine).
Lavorazione del Titanio
Il titanio è un materiale robusto, vanta una grande resistenza meccanica combinata a una notevole leggerezza, è fortemente resistente alla corrosione e può sopportare temperature estreme. Oggigiorno, il mercato esige prodotti in titanio di alta qualità, spesso con valori di ferro e idrogeno molto bassi. Per questo, su richiesta, vengono eseguite analisi chimiche specifiche sulla composizione del materiale da lavorare e ne accerta la corretta composizione.
La sgrossatura consiste nell’asportazione dal materiale grezzo della crosta “protettiva” naturale che si forma per ossidazione sulla superficie esterna del titanio, soprattutto nel caso di processi di forgia. Viene eseguito uno scrupoloso controllo delle caratteristiche del materiale per ognuna delle diverse fasi del ciclo produttivo, dall’approvvigionamento della materia prima, alla consegna del prodotto finito.
Non solo controlli sulla qualità e struttura fisica del materiale, vengono effettuati controlli rigorosi a verifica della bontà della lavorazione.