Titanio Grado 2, Grado 3 e Grado 5: una valutazione ingegneristica per l’orologeria contemporanea

Il titanio utilizzato negli orologi non è un materiale unico: il Grado 2 e il Grado 3 sono titanî commercialmente puri, mentre il Grado 5 è la lega Ti-6Al-4V, con alluminio e vanadio. Questa distinzione modifica resistenza a trazione, limite di snervamento, durezza, comportamento a fatica, lucidabilità e costo di lavorazione. L’articolo di Fabrizio Dellachà analizza il tema con taglio ingegneristico, collegando proprietà metallurgiche e applicazioni orologiere: casse, bracciali, fondelli, diver professionali e componenti soggetti a urti o cicli di carico. INGENIO propone una lettura tecnica utile a progettisti, produttori e appassionati evoluti.

Titanio CP e Ti-6Al-4V: perché il grado cambia le prestazioni dell’orologio

1. Introduzione

Nel panorama dei materiali impiegati nell’orologeria tecnica, il titanio rappresenta una delle scelte più diffuse per la combinazione di leggerezza, resistenza specifica, inerzia chimica e biocompatibilità.

Tuttavia, dietro l’etichetta generica di “titanio” si cela un insieme articolato di gradi normati secondo ASTM, ognuno con caratteristiche meccaniche, fisiche e metallurgiche ben distinte.

Gli orologi più comuni ricorrono al Titanio Grado 2 o al Titanio Grado 5; più raramente, ma con crescente attenzione, si osservano impieghi di Titanio Grado 3 (Ti3).

Comprendere la natura dei tre materiali, il comportamento sotto differenti sollecitazioni e le loro implicazioni produttive consente un approccio ingegneristico consapevole alla progettazione di casse, bracciali, fondelli e componenti soggetti a cicli di carico.

2. Composizione chimica e natura metallurgica

Il Titanio Grado 2 e il Titanio Grado 3 appartengono alla categoria CP (Commercially Pure), caratterizzata da una prevalenza di titanio alfa esagonale compatto (hcp) e da un tenore variabile di elementi interstiziali, in particolare ossigeno, azoto e carbonio.

La lega Grado 5 è invece una composizione bifasica alfa-beta con alluminio e vanadio, identificata chimicamente come Ti-6Al-4V.

Le composizioni tipiche sono:

• Grado 2: Ti > 99.2%, O ≤ 0.25%, Fe ≤ 0.30%, C ≤ 0.08%, N ≤ 0.03%
• Grado 3: Ti > 99.1%, O ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.30%, C ≤ 0.08%, N ≤ 0.05%
• Grado 5: Ti bil., Al 6%, V 4%, Fe ≤ 0.25%, O ≤ 0.20%

Il progressivo aumento dell’ossigeno dal Grado 2 al Grado 3 innalza in modo sensibile il limite di snervamento per effetto del rafforzamento per soluzione solida.

La presenza della fase beta, indotta dagli elementi stabilizzanti nella lega Grado 5, modifica invece in profondità il comportamento meccanico, incrementando la durezza, la resistenza a trazione e la resistenza a fatica.

3. Proprietà meccaniche e comportamento sotto sollecitazione

I parametri fondamentali per la selezione del materiale in ambito orologiero includono il modulo elastico (E), il limite di snervamento (σy), la resistenza a trazione (σUTS), la durezza (HB/HV) e la resistenza a fatica (σfatigue).

Per un approccio ingegneristicamente corretto, si devono considerare anche le leggi di risposta allo stato di tensione applicato.

La relazione di estensione elastica comune ai metalli isotropi è espressa dalla Legge di Hooke:

σ = E ε

dove:

• σ rappresenta la tensione
• E il modulo elastico
• ε la deformazione unitaria.

Il titanio presenta un modulo inferiore rispetto agli acciai (circa la metà), comportando maggiore elasticità e minor stiffness strutturale a parità di geometria.

Indicativamente:

• Grado 2: E ≈ 103 GPa
• Grado 3: E ≈ 105 GPa
• Grado 5: E ≈ 113 GPa

L’incremento del modulo nel Grado 5 si traduce in casse più rigide a parità di spessore, con minore deformabilità flessionale sotto urti o pressioni localizzate.

I valori di snervamento sono tipicamente:

• Grado 2: σy ≈ 275 MPa
• Grado 3: σy ≈ 380 MPa
• Grado 5: σy ≈ 880–900 MPa

L’effetto dell’ossigeno come soluto interstiziale nel Grado 3 è evidente.

La lega Ti-6Al-4V, grazie alla microstruttura α+β, mostra un comportamento nettamente superiore, con un rapporto snervamento/peso estremamente favorevole.

La resistenza al carico ciclico può essere descritta con la formula di Goodman per la valutazione della sicurezza a fatica:

(σa / σfatigue) + (σm / σUTS) ≤ 1

dove:

• σa rappresenta l’ampiezza della tensione alternata
• σm la tensione media.

Nel caso del Grado 5 il valore di σfatigue (circa 550 MPa) consente una maggiore vita utile per componenti strutturali assoggettati a colpi o vibrazioni ripetute (ad esempio casse per diver professionali).

4. Lavorabilità, fenomeni tribologici e finiture superficiali

Dal punto di vista produttivo, i titanî CP sono generalmente più malleabili e più facili da tagliare, ma mostrano:

• bassa conducibilità termica (accentuata nel Grado 2) che provoca surriscaldamento localizzato degli utensili
• formazione di crateri da adesione sul filo utensile
• sensibilità a velocità di avanzamento non ottimizzate

Il Grado 3, pur essendo più resistente.del Grado 2, rimane ancora gestibile con utensili in metallo duro e parametri adeguati.

Il Grado 5 richiede invece condizioni più severe e genera un’usura utensile più rapida per abrasione e aderenza, aspetto da considerare nei costi di produzione degli orologi di alta gamma.

A livello tribologico:

• il coefficiente di attrito titanio-titanio è elevato (≈ 0.45–0.55)
• la durezza crescente dal Grado 2 al Grado 5 riduce la propensione al graffio
• l’ossido di titanio (TiO₂) che si forma naturalmente in superficie migliora la resistenza alla corrosione ma rende difficile ottenere lucidature nitide

Il Grado 5 può essere lucidato più agevolmente rispetto ai CP grazie alla maggiore compattezza della microstruttura alfa-beta, sebbene non raggiunga mai la brillantezza speculare ottenibile con l’acciaio 316L.

5. Resistenza chimica, stabilità termica e comportamento ambientale

Il titanio è uno dei materiali più resistenti alla corrosione per passivazione spontanea attraverso la formazione di TiO2 (biossido di titanio).

L’energia libera di formazione dell’ossido è molto negativa e conduce alla reazione:

2 Ti + O₂ → 2 TiO₂

La stabilità del film ossidativo è elevata e si rigenera rapidamente anche in caso di abrasione lieve.

I tre gradi presentano:

• resistenza eccellente in ambiente marino
• inerzia quasi totale ai fluidi corporei e al sudore
• stabilità termica sino a circa 400 °C per le applicazioni orologiere, oltre i quali si innesca il fenomeno di overaging per la lega Grado 5

Il Grado 3, per via del maggior contenuto di ossigeno, presenta una durezza leggermente superiore in condizioni di temperatura ambiente, ma non una migliore resistenza alla corrosione rispetto al Grado 2.

6. Aspetto, colore e comportamento superficiale

a) Titanio Grado 2 (CP Ti – alta purezza)

• Colore: grigio più scuro, leggermente “caldo” e meno metallico
• Superficie: più porosa e micro-irregolare (grain più evidente)
• Riflettanza: bassa
• Lucidabilità: difficile ottenere finitura specchio, perché la durezza modesta comporta microstrappi durante la lucidatura
• Percezione estetica: “organico”, satinato, industriale
• Comportamento ai graffi: si riga facilmente, con righe più evidenti

Questo aspetto più “soft matte” deriva direttamente dalla sua struttura alfa quasi-pura e dalla bassa durezza.

b) Titanio Grado 3

• Colore: simile al Grado 2, ma leggermente meno opaco
• Superficie: meno porosa, più omogenea
• Riflettanza: moderata
• Lucidabilità: possibile, ma non semplice
• Graffi: migliore resistenza rispetto al Grado 2, ma non al livello del 5

È un compromesso: mantiene il look “puro”, ma è più coerente e meno grezzo del Grado 2.

c) Titanio Grado 5 (Ti-6Al-4V)

• Colore: più chiaro, spesso scambiato per acciaio
• Superficie: molto più compatta e fine
• Riflettanza: elevata
• Lucidabilità: eccellente — può raggiungere lucidature quasi a specchio
• Percezione estetica: high-tech, brillante, “steel-like”
• Graffi: migliore resistenza grazie alla durezza molto superiore

Questo perché la struttura α + β della lega è molto più densa e omogenea, e soprattutto perché la durezza (HB ≈ 295) è quasi doppia rispetto ai CP.

▪︎ Una domanda ricorrente: perché il Ti5 si lucida così bene?

Per due motivi:

1. Durezza maggiore → minore micro-strappo nella fase di polishing
2. Microstruttura bifasica α/β più fine e stabile → superficie più continua dopo l’asportazione

Da qui l’effetto superficiale più simile all'acciaio.

7. Il "Super Titanium" di Citizen: un'interessante tecnologia proprietaria

Citizen Watch Corp. utilizza una combinazione di due processi fondamentali:

a) Duratect (trattamento indurente superficiale)

È una famiglia di trattamenti (carburazione, nitrurazione, plasmanitrurazione, TIC, DLC) a seconda della variante:

• Duratect TIC (Titanium Carbide): colore più chiaro
• Duratect TIN (Titanium Nitride): leggero tono dorato
• Duratect DLC: nero duro
• Duratect MRK/MRK Gold: finitura specchio indurita

Duratect porta la durezza superficiale da ~150 HB a oltre 1000–1200 HV, rendendolo più resistente dell’acciaio 316L e vicino a certi rivestimenti ceramici.

b) Tecnica di finitura Zaratzu (derivata da Seiko, ma usata anche da Citizen Premium)

Permette la lucidatura specchio tramite superfici perfettamente piane e levigate con abrasivi a base di zirconio.

Risultati:

• Finiture a specchio superiori anche al Ti5 grezzo
• Durata superficiale altissima
• Miglior resistenza a strisciature, abrasioni, micro-urti
• Mantenimento della finitura nel tempo

Super Titanium usa quasi sempre CP Titanium (equivalente a Ti2/Ti3), ma raggiunge graze ai procedimenti sopra descritti la durezza superficiale di una ceramica tecnica.

▪︎ Altra curiosità: perché il Super Titanium resiste così bene ai graffi?

Tre fattori tecnici:

• Spessore dello strato indurito: tipicamente 2–10 µm
• Durezza elevata (fino a 1200 HV) → resistenza ad abrasione
• Bassa energia superficiale → minore adesione degli sfregamenti

L’effetto combinato è una superficie molto stabile, che mantiene lucidature specchio o satinature verticali anche dopo anni.

8. Considerazioni conclusive per l’applicazione orologiera

Le proprietà descritte portano ad una distinzione funzionale chiara:

• Il Titanio Grado 2 privilegia leggerezza, comfort, lavorabilità semplice e tatto caldo, a scapito della resistenza ai graffi.
• Il Titanio Grado 3 rappresenta una via intermedia con maggiore robustezza, migliore resistenza meccanica e comportamento superficiale più stabile, senza sacrificare le qualità tipiche del titanio CP.
• Il Titanio Grado 5 costituisce la soluzione ingegneristicamente più performante per orologi sportivi, diver professionali e casse sottili ad alta rigidità, con il costo della lavorazione più complessa.

In un contesto di micro-meccanica orologiera avanzata, la scelta del titanio non può prescindere da un’analisi strutturale del componente e dal suo ciclo di carico previsto: un fondello avvitato per alte profondità, un inserto lunetta soggetto a impatti, o una carrure di grandi dimensioni traggono beneficio dal Grado 5; una cassa dress più sottile e dalla finitura soffice può invece idealmente adottare il Grado 2; il Grado 3 si presta a soluzioni intermedie dove resistenza e purezza devono coesistere.

Bibliografia non esaustiva:

• ASTM B348 Titanium and Titanium Alloy Bars

Argomento: Specifiche tecniche e limiti compositivi dei vari gradi di titanio

sito: https://www.astm.org/b0348-13.html

• ASM Handbook: Volume 2 – Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals

Argomento: Proprietà meccaniche, metallurgiche e tribologiche del titanio e delle sue leghe

sito: https://www.asminternational.org

• Titanium: A Technical Guide (G. Lutjering, J. Williams)

Argomento: Comportamento meccanico, microstrutture alfa, beta e alfa-beta, fenomeni di snervamento e fatica

sito: https://www.tms.org

• MIL-T-9047G Titanium and Titanium Alloys

Argomento: Classificazione militare e requisiti per titanî CP e leghe ad alte prestazioni

sito: https://quicksearch.dla.mil