Titanium versus roestvrij staal: welk metaal is geschikt voor uw project?

Dichtheid, gewicht en sterkte-tot-gewichtsverhouding

Het duidelijkste verschil tussen de twee families is de massa. Ongelegeerd titanium heeft een dichtheid van ongeveer 4,51 g/cm3 en de werkpaardlegering Ti-6Al-4V ongeveer 4,43 g/cm3, terwijl austenitisch roestvrij staal tussen 7,93 en 7,98 g/cm3 zit. Door titanium te vervangen door roestvrij staal wordt daarom grofweg 40-45% van het componentgewicht verwijderd voordat een nieuw ontwerp wordt overwogen.

Titaniumlegeringen winnen ook op specifieke sterkte. Ti-6Al-4V bereikt treksterktes van 900-1100 MPa, terwijl roestvrij staal 304 doorgaans 520-720 MPa levert en roestvrij staal 316 480-620 MPa. Omdat specifieke sterkte de sterkte verdeelt door de dichtheid, wordt het voordeel van titanium verder vergroot bij gewichtskritische ontwerpen zoals casco's, zuigermotoronderdelen en draagbare apparatuur.

De afweging-is ductiliteit. Titaniumlegeringen verlengen slechts 10-15%, tegen 40-50% voor de austenitische kwaliteiten, dus vormbewerkingen waarbij diepe trek of scherpe bochten nodig zijn, geven normaal gesproken de voorkeur aan roestvrij staal, of titanium in een lagere sterkte, zoals klasse 1.

Corrosiebestendigheid onder reële gebruiksomstandigheden

Titanium dankt zijn corrosieprestaties aan een dunne, zelf-herstellende passieve oxidefilm die zich onmiddellijk vormt in lucht of water en zich- onmiddellijk na beschadiging opnieuw vormt. Die film blijft intact in zeewater, chloriden, hypochlorieten, oxiderende zuren en de meeste organische media, en is immuun voor de put- en spleetaantasting die austenitische roestvaste staalsoorten beperkt in hun chloride--rijke gebruik.

Roestvrij staal vertrouwt op chroomoxide voor zijn bescherming en presteert uitstekend in atmosferische omstandigheden, drinkwater, voedsel en lichtzure toepassingen. De zwakte ervan komt naar voren waar chloriden zich concentreren in stilstaande spleten of onder afzettingen boven ongeveer 60 graden, waar putcorrosie en spanningscorrosie kunnen beginnen. Titanium heeft geen vergelijkbare chloridedrempel bij normaal gebruik van zeewater. Daarom domineert het zeewater-gekoelde warmtewisselaars, leidingen van ontziltingsinstallaties en offshore-leidingen.

Titanium is bestand tegen putcorrosie, spleetcorrosie en chloride-spanningscorrosie in zeewater.

Roestvast staal 304 en 316 kunnen putjes vormen in stagnerende chlorideoplossingen, vooral bij verhoogde temperaturen.

Titanium blijft passief in oxiderende zuren, maar vereist palladium- met kwaliteiten zoals klasse 7 in sterk reducerende zuren.

Galvanische koppeling moet worden beheerd wanneer titanium wordt verbonden met minder edele metalen in een elektrolyt.

Thermisch en elektrisch gedrag

Beide materialen zijn naar metaalnormen slechte thermische geleiders, en dit beïnvloedt eerder de fabricagepraktijk dan de serviceprestaties. Titanium geleidt warmte bij ongeveer 17 W/m·K, bijna roestvrij staal 316 bij ongeveer 15 W/m·K en 304 bij ongeveer 16 W/m·K. Een lage geleidbaarheid concentreert de laswarmte dichtbij de boog, wat één van de redenen is dat titaniumlassen een strikte parametercontrole en royale afscherming vereist.

Elektrisch gezien zit titanium op ongeveer 2,38% IACS en de austenitische roestvaststalen op 2-3% IACS, dus geen van beide is een verstandige keuze voor stroom-dragende onderdelen. Titanium is aanzienlijk moeilijker te bewerken dan roestvrij staal: het hardt snel uit, voert de warmte langzaam af en heeft de neiging tegen snijgereedschappen te schuren, dus voedingen, snelheden en gereedschap moeten er specifiek voor worden geselecteerd.

Biocompatibiliteit en medisch gebruik

Titanium is het referentiemateriaal voor permanente implantaten. Het is niet-giftig, niet-magnetisch en wordt verdragen door botten en zacht weefsel, en maakt directe botaanhechting mogelijk zonder een tussenliggende vezellaag. Ongelegeerde kwaliteiten die vallen onder ASTM F67 en de Ti-6Al-4V ELI-kwaliteit die vallen onder ASTM F136 en ISO 5832-3 zijn gespecificeerd voor stelen, platen, schroeven, ruggengraatapparaten en tandheelkundige armaturen.

Roestvrij staal komt ook voor in de operatiekamer, meestal als 316L voor tijdelijke fixatie, instrumenten en ziekenhuismeubilair. Het is goedkoper en sterker, maar het bevat nikkel en kan langzaam corroderen in lichaamsvloeistof, waardoor ionen vrijkomen tijdens lange implantatieperioden. Roestvrij staal is ook magnetisch, wat de beeldvorming door magnetische resonantie vervormt, terwijl titanium niet-magnetisch is en minimale artefacten veroorzaakt. Oppervlaktebehandelingen zoals anodiseren of oxidecoatings verbeteren het antibacteriële gedrag en de slijtvastheid op titaniumapparaten verder.

Kosten, beschikbaarheid en fabricage

Roestvast staal is goedkoper per kilogram en wordt in een veel grotere verscheidenheid op voorraad gehouden, zodat het de standaard blijft voor de bouw, procesapparatuur en consumptiegoederen. Titanium kost vele malen meer vanwege de energie-{1}}intensieve Kroll-route, het vacuümsmelten en de strengere procesbeheersing van de metaalbehoefte, en het is verkrijgbaar in een kleiner aantal maten bij minder leveranciers.

Het fabricagegedrag maakt het verschil groter. RVS lassen, vormen en machines met vertrouwde procedures, gebruik makend van argon, TIG of MIG processen en standaard gereedschap. Titanium vereist speciale afscherming, schone verbruiksartikelen, een lage warmte-inbreng en gereedschap dat is ontworpen vanwege de neiging tot vreten, en de machinaal bewerkte spanen vormen een brandrisico. Voor een project met nauwe toleranties en een bescheiden corrosiebelasting is roestvrij staal meestal het economische antwoord; waar gewicht, blootstelling aan zeewater of implanteerbaar gebruik van cruciaal belang zijn, betaalt titanium zich terug door een langere levensduur en minder onderhoud.

Het juiste materiaal kiezen

Gewicht-kritisch ontwerp:kies titanium, met ongeveer 56-57% van de dichtheid van roestvrij staal.

Zeewater, chloride of oxiderend zuur:kies titanium klasse 2 of klasse 7.

Lichaams-vloeistofcontact en permanente implantaten:kies titanium volgens ASTM F67 of ASTM F136.

Algemene constructie, kookgerei, tanks en frames:kies roestvrij staal 304 of 316.

Strak budget met milde corrosiebelasting:kies voor roestvrij staal en accepteer een kortere levensduur.

Dieptrekken en complex vormen:kies roestvrij staal of titanium klasse 1 als gewicht belangrijk is.

Veelgestelde vragen

Vraag: Is titanium sterker dan roestvrij staal?
In absolute termen overlappen de twee elkaar, maar titaniumlegeringen leveren veel meer sterkte per gewichtseenheid. Daarom presteert Ti-6Al-4V bij 900-1100 MPa beter dan 304 roestvrij staal in elke gewichtskritische vergelijking.

Vraag: Roest titanium in zeewater?
Nee. De passieve oxidefilm is stabiel in zeewater, dus titanium is bestand tegen putcorrosie en spleetcorrosie, waar 304 en 316 roestvrij staal na verloop van tijd kunnen bezwijken.

Vraag: Welk materiaal moet worden gebruikt voor medische implantaten?
Titaniumkwaliteiten volgens ASTM F67 of ASTM F136 hebben de voorkeur voor permanente implantaten omdat ze biocompatibel zijn, niet-magnetisch en niet worden beïnvloed door lichaamsvloeistoffen.

Vraag: Waarom kost roestvrij staal minder dan titanium?
Roestvrij staal wordt gemaakt van overvloedige, gemakkelijk smeltbare grondstoffen in grote hoeveelheden, terwijl titanium chlorerings-, reductie- en vacuümsmeltstappen vereist die veel meer energie en kapitaalintensief zijn.

Vraag: Kunnen titanium en roestvrij staal aan elkaar worden gelast?
Ze zijn moeilijk rechtstreeks te verbinden omdat titanium broze intermetallische fasen vormt met ijzer en chroom; Normaal gesproken wordt in plaats daarvan een overgangsverbinding, bimetaal inzetstuk of mechanische koppeling gebruikt.

Vraag: Welke is gemakkelijker te bewerken?
Roestvrij staal in de vrije-snijkwaliteiten is gemakkelijker, hoewel austenitische kwaliteiten ook-harden. Titanium is nog harder en vereist lagere snijsnelheden, hoge voedingssnelheden, scherp gereedschap en royale koelvloeistof.