Trattamenti di anodizzazione del titanio

Autori:

• Alberto Cigada (Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica "Giulio Natta", Politecnico di Milano)

• Enrico Sandrini (NanoSurfaces s.r.l., Cadriano di Granarolo Emilia, Bologna)

Il titanio è un metallo ad elevatissimo valore tecnologico, ha suscitato negli ultimi decenni un interesse
enorme ed è stato utilizzato nei settori tecnologici più avanzati. Gode di caratteristiche uniche, abbinando
elevate prestazioni meccaniche, leggerezza ed elevatissima resistenza a corrosione sia generalizzata che
localizzata. Il titanio si trova in natura sotto forma di ossido di titanio, principalmente rutilo, ed ossido di
titanio e ferro, ilmenite. Nel passato ed oggi ancor di più il titanio e soprattutto le sue leghe, particolarmente
adatte alle applicazioni che richiedono elevate prestazioni meccaniche, hanno trovato successo in settori
quale l’industria chimica e petrolchimica, il settore aerospaziale, il biomedicale e l’automotive.

Questo incredibile materiale soffre purtroppo di alcuni limiti, che ne limitano l’applicazione in determinati
settori della meccanica, infatti è basso conduttore di calore, è suscettibile al grippaggio molto più di altri
metalli e leghe, presenta bassa resistenza all’usura e in ambienti corrosivi presenta bassa resistenza alla
corrosione per sfregamento (Fretting Corrosion) ed è decisamente idrofilico, quindi facilmente improntabile.
La resistenza alla corrosione generalizzata che fa del titanio il metallo per elezione nell’industria chimica è
dovuta ad un sottile strato di ossido, che lo riveste naturalmente a seguito di esposizione all’aria, questo film
di spessore pochi nanometri, protagonista della elevata resistenza a corrosione, è fragile e facilmente
abradibile, in ambienti aggressivi se rimosso può difficilmente riformarsi, scatenando reazioni localizzate di
dissoluzione del titanio metallico, inoltre l’idrofilia del titanio è dovuta proprio alla tendenza dell’ossido ad
idrossilarsi e quindi ad essere molto facilmente contaminabile, ecco l’improntabilità.

L’ossido di titanio, però, può essere modificato mediante tecniche chimiche, elettrochimiche ed anche fisiche.
Alla base dei trattamenti elettrochimici vi è una semplice ma efficace tecnica elettrochimica di ossidazione
anodica (in genere chiamata di anodizzazione). La tecnica consiste nell’utilizzo di un alimentatore a corrente
continua. Il titanio da anodizzare viene collegato al polo positivo dell’alimentatore, ove avviene un processo
di ossidazione; al polo negativo avviene un processo di riduzione di una specie presente nell’elettrolita.
Per effetto della polarizzazione anodica il film di ossido si accresce e l’effetto immediato risultante
dall’ispessimento è la colorazione del titanio, poiché l’ossido trasparente alla radiazione luminosa, per effetto
di fenomeni di interferenza costruttiva e distruttiva, favorisce in rapporto allo spessore l’intensificazione di
determinate lunghezze d’onda e l’annullamento di altre, sempre nello spettro del visibile.
Quando l’ispessimento dell’ossido raggiunge determinati valori, il dielettrico formatosi isola il circuito anodocatodo, per effetto della forte caduta si verificano quindi rotture casualmente distribuite sulla superficie
ossidata, in corrispondenza di tali brecce si verifica il passaggio di corrente ad elevata intensità, poiché non
si verifica più una omogenea distribuzione sulla totalità della superficie. Queste scariche elettriche
microscopiche provocano micro-fusioni locali con rimescolamento di materiale del substrato, ossido e
elementi della soluzione. La morfologia dello strato d’ossido così formato appare micro porosa e la
composizione dell’ossido superficiale perde la sua stechiometria e si arricchisce di elementi presenti
nell’elettrolito. Questa tecnica è nota con il nome di Anodic Spark Depositin.
Inoltre, le proprietà dell’ossido di titanio modificato ad elevati voltaggi sono ancora più sorprendenti, infatti
quando formato nella fase di anatasio, per effetto della radiazione ultravioletta, promuove fenomeni di
riduzione di agenti inquinanti atmosferici. Infatti, l’ossido di titanio, cristallino, in forma di anatasio, si
comporta eccitato nel campo dell’UV, come un semiconduttore tipo-n e le cariche esposte superficialmente
catalizzano in tal modo reazioni di riduzione ed in minor percentuale di ossidazione.

La selezione del giusto elettrolita permette di virare le proprietà dell’ossido che arricchito con elementi quali calcio, fosforo e magnesio, risulta un ottimo interfaccia per tessuti ossei, quindi favorisce i processi osteointegrativi, necessari per protesi ortopediche e dentali in titanio.

Allo stesso modo è possibile far crescere strati ossidati molto spessi fino a decine di micron, e modificati
chimicamente in funzione della composizione del bagno elettrochimico. Questi ossidi molto spessi sono
fragili, ma poggiano su un substrato ossidato molto duro e saldamente aderente al substrato metallico
sottostante. Applicando delle finiture meccaniche standard, quali lucidatura, sabbiatura, pallinatura,
vibrofinitura è possibile rimuovere lo strato d’ossido soprastante e esporre un film sottile di ossido tenace,
duro, e soprattutto difficilmente abradibile e decisamente idrofobico. L’utilizzo di questa tecnica ha portato
allo sviluppo del trattamento TiHard™, che è applicabile a tutte le tipologie di leghe di titanio.

La superficie così ottenuta risolve i problemi che limitavano l’uso del titanio in alcune applicazioni della meccanica dove la resistenza all’abrasione e al grippaggio sono essenziali.
Il titanio trattato TiHard™ ha un aspetto lucido, quasi ceramico, è idrorepellente, e difficilmente abradibile,
risulta ottimale anche per ragioni estetiche poiché non è improntabile. La sua elevata durezza e resistenza
all’usura lo rendono una ottimale scelta per accoppiamenti meccanici in ambienti aggressivi, risultano infatti
enormemente ridotti i problemi di suscettibilità alla corrosione per sfregamento. Inoltre, questa caratteristica
idrofobia, lo rende limitatamente osteointegrabile e quindi ottimale per componenti quali chiodi endomidollari, placche e vite per traumatologia e chirurgia spinale.

In fine, la finitura meccanica migliora la resistenza a fatica del componente, resistenza che spesso viene
ridotta tramite l’applicazione di altre tecniche di finitura, questo dà ulteriori garanzie in particolare per
componenti soggetti ad elevati sforzi sia localizzati che distribuiti.

I trattamenti di cui si è parlato sono tutti stati sviluppati presso il politecnico di milano e sono stati
industrializzati dalla società NanoSurfaces s.r.l., spin-off del Politecnico di Milano e di S.A.M.O. S.p.a.
I componenti mostrati nella presentazione sono per il 90% campionature eseguite per la ditta PoggiPolini
S.r.l., con la quale si è sviluppata una intensa sinergia.