Il futuro delle bici è nel titanio?

  Bikelife, Materiali • di Omar Gatti Meno diffuso del trittico acciaio – fibra di carbonio – alluminio, 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? Cos’è e come viene utilizzato 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. 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;   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...

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LA SALDATURA DEI TELAI

Sempre nell’ottica di approfondire l’argomento “saldatura” ho trovato quest’altro articolo che mi sembra chiarisca ancora altri aspetti utili per poter scegliere il tipo migliore di saldatura …. Saldatura Definizione della saldatura secondo la norma ISO 857 (1990): Operazione che consiste nel riunire due o più materiali tramite riscaldamento, pressione o congiunzione delle due parti, in modo da garantire una continuità della natura di o dei materiali riuniti.” La saldatura può essere realizzata con o senza utilizzo di un prodotto di contributo la cui temperatura di fusione è dello stesso ordine di dimensione di quella di o dei materiali di base.” Saldatura al cannello ossidrico: Prima della seconda guerra mondiale, il metodo di saldatura corrente era la saldatura al cannello ossidrico. Questo metodo richiedeva un “colpo di gamba” da parte dell’artigiano. In Cyclette-Revue nel 1953, Alphonse THOMANN dice le sue prime prove di saldatura di telai in acciaio. Se non fu l’inventore dei telai saldati, fu uno dei primi a realizzare telai in questo modo, fin dal 1904 e dopo numerose prove di saldatura e di resistenza, costruì la prima bicicletta saldata extra-leggera (9 kg. 500). Saldatura TIG Per l’assemblaggio dei telai in lega d’alluminio o in lega di titanio, il metodo più di solito utilizzato è la saldatura TIG. TIG è l’acronimo per Tungsten Inert Gas. In questo metodo, il riscaldamento per portare a fusione la zona d’assemblaggio è ottenuto dalla creazione di un arco elettrico tra un elettrodo refrattario (in tungsteno combinato al torio o cerio) ed i tubi del telaio. Per proteggere il metallo fuso dall’ossidazione, una protezione gassosa inerte viene utilizzata. Il gas inerte è generalmente argon. Un metallo di contributo è portato manualmente sotto forma di barretta del diametro di circa 2 mm. Si tratta di un metodo poco produttivo ma ben adeguato ai deboli spessori dei nostri tubi che danno cordoni di saldatura d’aspetto liscio. La bravura del saldatore si giudica dalla sua capacità di realizzare cordoni molto lisci senza onde. Per la saldatura delle leghe d’acciaio, occorre utilizzare leghe specifiche adeguate alla saldatura. Infatti, poiché la saldatura implica la fusione dell’acciaio, le temperature raggiunte sono di 1560°C. Si creano pertanto delle modifiche metallurgiche nei tubi (tempre vicino alla saldatura che può indebolire il tubo). Per la saldatura delle leghe d’alluminio si provoca localmente con un indebolimento della struttura. Questo impone per le leghe di gran lusso di ricorrere ad un trattamento termico dopo la saldatura per ritrovare le caratteristiche iniziali del tubo. Per la saldatura delle leghe di titanio, la saldatura si effettua generalmente in una campana riempita di gas neutrale (l’argon) ad evitare l’ossidazione della zona saldata. Essendo il titanio un materiale estremamente sensibile all’inquinamento con l’ossigeno – diventa duro e fragile – richiede una protezione ad un alto livello di purezza. Ciò richiede una buona conoscenza tecnologica ed una pratica gestuale di alto livello per ottenere una saldatura impeccabile. Saldatura MIG La saldatura MIG è un metodo molto più produttivo della saldatura TIG. Il suo interesse principale è il suo utilizzo in robotica. Soprattutto è dunque utilizzato per saldature in grande quantità. Il suo inconveniente principale risiede nella qualità dei giunti così realizzati. Infatti, è male adattato agli spessori dei tubi dei telai di bicicletta. Inoltre, nella saldatura di lega d’alluminio, l’aspetto dei cordoni è di povera qualità. L’acronimo MIG corrisponde a Metal Inert Gas. L’arco è creato tra il metallo di contributo (che funge da elettrodo) ed i tubi di telaio. Il bagno fuso è protetto dell’ossidazione da un gas neutrale, generalmente dell’argon. MIG è utilizzato in produzione di serie, su macchine a costo basso tenuto conto della sua facilità...

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LA SALDATURA DEL TELAIO BICI

Ecco un altro articolo veramente molto interessante sull’argomento  saldatura. Come sicuramente avrete capito il mio telaio ideale é e resterà sempre il telaio in acciaio…;))) Differenze tra tig e fillet brazed Cercherò di fare un po di chiarezza su questo argomento che viene troppo spesso sottovalutato e mal compreso: che differenza c’è tra un telaio bici corsa o mtb in acciaio saldato a tig e lo stesso saldato in fillet brazed ? Senza dilungarci e fare discorsi troppo tecnici che il “comune mortale” come me non capirebbe, cercherò di spiegare nel modo più semplice possibile mettendomi nei panni di una comunissima persona che vuole una risposta il più semplice ed esauriente possibile. La differenza è enorme e sostanzialmente è che il tig fonde i metalli da unire, mentre il fillet brazed li “incolla” con l’apporto di una lega di metalli con punto di fusione più basso. Quest’ultimo viene a sua volta diviso in due tipi, telaio con congiunzioni e telaio senza congiunzioni   Dopo aver detto questo, sorge spontanea la domanda dell’appassionato ciclista: Qual è tra i tre il metodo migliore? Analizziamo i diversi metodi e traiamo le conclusioni. Oggi le nuove leghe d’ acciaio hanno carichi di rottura eccezionali e quindi le aziende che producono tubazioni per uso ciclistico possono realizzare tubi con spessori molto sottili, meno di mezzo millimetro e tramite trattamenti termici adeguati possono resistere ad alte sollecitazioni in un’arco di tempo molto lungo (cosa impensabile con telai in alluminio o carbonio). Il tig come abbiamo detto deve fondere i metalli per unirli quindi porta la temperatura sopra i 1450 °C e in parte altera l’equilibrio del metallo e teoricamente lo infragilisce, infatti su tutti i telai saldati a tig, indipendentemente del tipo di materiale (alluminio, acciaio, titanio) le rotture si verificano appena dopo il cordone di saldatura. Il fillet brazed essendo un “incollaggio” non fonde i metalli da unire quindi non altera l’equilibrio o quantomeno lo fa in misura molto minore, questo dipende dal tipo di lega/materiale usato per unire i tubi. Le leghe usate comunemente sono con percentuali d’argento che variano dal 5% (le più usate) fino al 60% d’argento (le meno usate), quindi temperature che variano da 850 °C a 550 °C circa. Più alta è la percentuale d’argento minore è la temperatura di “incollaggio”, quindi minore stress ai tubi ma più stress alla tasca essendo molto costose. Pochi artigiani utilizzano leghe con 50-60% d’argento ed il loro metodo lo pubblicizzano con la dicitura “Silver Fillet Brazed”. Concludo con i pro e contro. Telaio in tig Pro: facilità della lavorazione, pulizia, leggerezza, libertà di geometrie. Contro: possibili rotture con tubi di spessore molto sottili.   Telaio in fillet brazed. senza congiunzioni Pro: più rigido del tig, non altera l’equilibrio dei tubi, piacevole a vedersi (sembra un monoscocca), libertà di geometrie come il tig. Contro: lavorazione lenta, più costoso, qualche decina di grammi più pesante.   Telaio in fillet brazed, con congiunzioni   Pro: indiscusso fascino retrò con congiunzioni lavorate e cromate Contro: lavorazione lenta, più costoso, vincolato nella scelta degli angoli.articolo tratto da: www.steelframebicycle.com Follow...

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IL TELAIO SALDATO TIG

E dopo aver visto svariati metodi di rilievo misure, svariati metodi di interpretazione delle misure e relativo calcolo delle lunghezze dei vari componenti di un telaio non potevo non adentrarmi nel mondo delle tecniche costruttive e più precisamente nel mondo delle saldature… E’ il processo di saldatura che detiene l’ assoluto primato nel campo dei telai di alta qualità. Sfrutta l’elevata temperatura prodotta da un arco elettrico che scocca tra  un elettrodo infusibile ed il pezzo da saldare. Gli elettrodi previsti per suddette leghe sono in tungsteno puro (93,5%-99,75%) e in tungsteno addizionato con 0,3-0.5 di zirconio; il secondo garantisce una minor contaminazione del bagno ed è ottimale per condizioni critiche ovvero  densità di corrente medio-bassa in corrente alternata. Il TIG nel campo dei telai ad alta qualità per il ciclismo é manuale (lunghezza d’arco ed elettrodo controllati dall’operatore). Tale tecnica offre vantaggi notevoli quali rapidità di esecuzione, adattabilità a qualsiasi posizione di lavoro, facilità di controllo dell’arco con conseguente regolarità del deposito, regolazione di intensità di corrente entro ampi limiti, sorgente termica potente e concentrata. Questa ultima caratteristica fa si che si possano saldare spessori molto piccoli(fino a 0.5 mm)con discrete velocità di saldatura. L’impianto è composto da più circuiti; un circuito elettrico alimentato da un generatore e corredato con un dispositivo per l’accensione e la stabilizzazione dell’arco, un circuito di raffreddamento ad acqua per non far surriscaldare la torcia, un circuito per il gas di protezione. Basti pensare che nel caso del Titanio occorre raggiungere localmente temperature di 3200 °F ! Vi è un cofano di regolazione con il quale si controllano la corrente di saldatura, il dispositivo di accensione e stabilizzazione, l’invio del gas di protezione, con spegnimento ritardato rispetto all’arco, per proteggere il bagno che si sta raffreddando. La saldatura (in camera iperbarica parlando del Titanio, come si vede dalla sottostante immagine)viene eseguita fondendo i lembi accostati del pezzo, in  un tempo molto breve(3-5 secondi); se lo spessore è piccolo non è previsto l’uso di materiale d’apporto che è invece essenziale per spessori elevati. Il materiale d’apporto (alluminio acciaio titanio a seconda delle tubazioni usate), reperibile sotto forma di bacchette, non è fuso dall’arco ma dal bagno di fusione dove viene immerso ad intervalli regolari, fondendo ogni volta qualche millimetro; è aggiunto lateralmente in modo manuale o automatico. Questo rappresenta uno svantaggio perché si deve richiedere un saldatore altamente qualificato, se manuale, o una perfetta programmazione se automatico.  Fondamentale importanza deve essere data al gas di protezione; deve proteggere l’elettrodo, l’arco, il bagno, le zone del pezzo adiacenti al bagno da possibili contaminazioni atmosferiche, come umidità ed ossigeno evitando ossidazioni od altri danni che comprometterebbero la qualità del giunto.  Si utilizza argon in quantità variabili (5-25 l/min). Non è possibile utilizzare il TIG in corrente continua e polarizzazione diretta perché gli elettroni che arrivano all’anodo (pezzo da saldare) non sono in grado di rompere l’ossido. Il TIG in corrente continua e polarizzazione inversa è utilizzabile solo per piccoli spessori; all’anodo (polo positivo, l’elettrodo) si sviluppano temperature molto elevate e per evitare che l’elettrodo si surriscaldi fino a fondere, procurando danni inaccettabili nel giunto, si dovranno utilizzare elettrodi di diametro elevato (6mm) e correnti non superiori ai 100A. Questa alimentazione permette la rottura dell’ossido per sabbiatura ionica:la frantumazione dell’ossido é dovuta al bombardamento degli ioni positivi,  del gas di protezione, che hanno massa maggiore rispetto agli elettroni e quindi energia cinetica superiore (argon,10 volte più pesante dell’elio è più efficace). Ci sono limiti di applicazione dovuti all’impossibilità di usare correnti elevate, le quali porterebbero ad un consumo dell’elettrodo, e per la formazione di un bagno poco...

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Save the steel: tutto sulle bici in acciaio

Sembra il titolo di una canzone dei Manowar, gruppo metal americano che mette la parola acciaio in quasi ogni frase, lo so. In realtà oggi vorrei raccontarvi di un vecchio materiale per biciclette che all’improvviso è diventato pesante e inutile. Per parlarvi dell’acciaio e delle sue virtù, parto da una domanda: siete sicuri che i telai in carbonio alto modulo, pensati per ciclisti di vent’anni, nel pieno della forma, allenati e pagati per andare forte e farlo per centinaia di chilometri, con all’arrivo uno stuolo di allenatori, massaggiatori e nutrizionisti, siano la scelta perfetta per voi?   Insomma, quando andate da un negoziante siete convinti di poter scegliere la bici giusta per voi oppure quella che il mercato vi fa credere essere la migliore? Vediamo se alla fine di questo articolo sarete in grado di dare una vostra personale risposta. Carattere d’acciaio   Ognuno di voi, ne sono certo, sa cosa sia l’Eroica: una corsa cicloturistica nella splendida Toscana, dove biciclette con parecchie primavere sulle spalle s’inerpicano lungo i saliscendi della valle del Chianti, tra strade bianche e buche nel terreno. Ebbene, tutte quelle biciclette hanno un telaio in acciaio, saldato con congiunzioni saldobrasate, probabilmente costruito a mano da un artigiano. E quei telai riescono a resistere alle sollecitazioni di 75km di strade bianche, salite e discese, pietrisco e buche, anno dopo anno. Perché? Appunto perché sono fatti d’acciaio. Cos’è e come viene utilizzato   Per acciaio s’intende una lega metallica (ovvero un materiale formato da un minerale base “additivato” con minerali di lega per aumentarne le prestazioni) formata da ferro e carbonio, ottenuta tramite procedimenti metallurgici.   Le tipologie di acciaio sono innumerevoli e anche quelle per il ciclismo coprono un’ampia gamma di prodotti, che passano da quelli meno pregiati (Acciai dolci o hi-ten), a quelli destinati a biciclette da corsa, solitamente legati con molibdeno, nobio, vanadio o manganese (come il Chromoly), elementi incaricati a conferire caratteristiche precise di resistenza.   Un telaio viene realizzato partendo da tubazioni dell’acciaio desiderato, che vengono tagliate, sgolate e limate a misura per poi essere collegate assieme tramite congiunzioni. In realtà la costruzione di un telaio è la fase ultima di un lavoro che parte dal colloquio tra cliente e telaista, per la valutazione del tipo d’impostazione da dare al mezzo. Poi il telaista rileva (o si affida a ditte esterne) le misure corporee del ciclista, che vengono riportate su un disegno tecnico, calcolando le misure effettive attraverso formule matematiche. A noi, in questo articolo, interessa parlare dell’acciaio in quanto tale, per cui tralasceremo le parti preliminari, che vi racconteremo in futuri articoli. Dicevo, l’unione tra le congiunzioni e le tubazioni viene realizzata attraverso saldobrasatura: un materiale dal punto di fusione più basso viene “fatto sciogliere” all’interno della congiunzione, che solidificando unirà in maniera indissolubile i due pezzi. Una volta assiemato il telaio si passa alla realizzazione delle filettature e alla fresatura dei piani dei canotti sterzo e movimento centrale, per garantirne la perfetta planarità. Infine il telaio viene sabbiato per eliminare i residui di lavorazione e va in verniciatura. Caratteristiche dell’acciaio L’acciaio è sempre stato il materiale principe per la realizzazione dei telai, poiché le sue caratteristiche meccaniche e tecnologiche sono adatte per resistere alle sollecitazioni imposte dall’uso intensivo della bicicletta: • Densità: caratteristica che va di pari passo con il peso complessivo del telaio, poiché per densità s’intende appunto il peso per unità di volume. Analizzando quest’aspetto l’acciaio sembra davvero essere il peggiore tra i materiali, poiché è quello con densità maggiore. Infatti se compariamo 1m3 di acciaio, alluminio e fibra di carbonio abbiamo nell’ordine: fibra di carbonio 1800 kg/m3,...

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