Titanio Grade 2 o Grade 5: forse sta pagando una resistenza che non usa
Per la maggior parte delle persone il titanio di riferimento è il Grade 5. Rappresenta circa la metà di tutto il titanio impiegato, è ciò che si intende per «titanio» in aerospazio e compare su disegni in cui il Grade 2 farebbe lo stesso lavoro con meno spesa e meno problemi.
A volte questa sostituzione sarebbe sbagliata. Spesso no. Ecco come capirlo.
Le due leghe
Il Grade 2 è titanio commercialmente puro: circa il 99 % di titanio, con ossigeno e ferro controllati. Struttura monofase alfa. Tenero, duttile, estremamente resistente alla corrosione, facile da saldare e da formare.
Il Grade 5 è il Ti-6Al-4V: 6 % di alluminio, 4 % di vanadio. Struttura bifasica alfa-beta, trattabile termicamente, con una resistenza circa tre volte superiore a quella del Grade 2.
| Grade 2 | Grade 5 (Ti-6Al-4V) | |
|---|---|---|
| Carico di snervamento | ~275 MPa | ~830 MPa |
| Resistenza a trazione | ~345 MPa | ~900 MPa |
| Durezza | ~145 HV | ~340 HV (~36 HRC) |
| Allungamento | ~20 % | ~14 % |
| Temperatura massima di esercizio | ~300 °C | ~400 °C |
| Saldabilità | Eccellente | Buona, richiede cura e protezione con gas inerte |
| Formabilità | Buona a freddo | Scarsa a freddo, serve formatura a caldo |
| Resistenza alla corrosione | La migliore delle due | Molto buona, leggermente inferiore al Gr 2 |
| Costo relativo del materiale | Base | ~1,3–1,6× |
| Costo relativo di lavorazione | ~0,5–0,7× Grade 5 | Base |
Due righe meritano attenzione. Il Grade 2 ha una resistenza alla corrosione migliore, non peggiore: gli elementi di lega la riducono leggermente. E il Grade 2 si lavora con circa il doppio della facilità, cosa che su un pezzo complesso può contare più del prezzo del materiale.
Quando il Grade 2 è la risposta giusta
Il requisito è la corrosione, non il carico. Tubazioni per processi chimici, componenti di scambiatori di calore, anodi, raccordi per acqua di mare, componenti per dissalatori, finiture navali. Se il compito del pezzo è non corrodersi, la lega più economica e più resistente alla corrosione è anche la lega migliore.
Il pezzo viene saldato. Il Grade 2 si salda facilmente. Il Grade 5 si salda, ma il cordone e la zona termicamente alterata perdono duttilità e la procedura richiede una corretta protezione con gas inerte sul dritto e sul rovescio. Per una struttura saldata, il Grade 2 elimina un’intera categoria di rischio.
Il pezzo viene formato. Il Grade 2 si può formare a freddo. Il Grade 5 in gran parte no.
Le sollecitazioni sono davvero basse. Staffe, coperchi, corpi e distanziali che non portano quasi nulla, ma devono resistere agli agenti chimici oppure essere amagnetici e leggeri.
Impianti medicali, dove la norma lo consente. Grade 2 e Grade 4 si usano per componenti implantari quando la resistenza lo permette; il Grade 23 ELI copre i casi ad alta resistenza.
Quando il Grade 5 vale il suo prezzo
Carichi strutturali. Tutto ciò che porta sollecitazioni significative. Tre volte il carico di snervamento non è un margine piccolo.
Fatica. I carichi ciclici favoriscono nettamente il Grade 5.
Filettature e piccoli elementi portanti. Le filettature in Grade 2 grippano e si spanano a carichi che il Grade 5 regge senza problemi.
Temperature elevate sotto carico.
Strutture in cui il peso è critico, dove il rapporto resistenza/peso è l’unica ragione per cui si è scelto il titanio.
I gradi intermedi
La scelta non è binaria.
Il Grade 9 (Ti-3Al-2.5V) sta nel mezzo: circa 620 MPa di snervamento, ancora saldabile e formabile, usato comunemente per tubi e linee idrauliche. È poco sfruttato dagli acquirenti che conoscono solo il 2 e il 5.
Il Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) è un Grade 5 con ossigeno e ferro ridotti, per una migliore tenacità alla frattura e migliori prestazioni criogeniche. Standard per gli impianti e per alcune applicazioni aerospaziali. Più costoso e con disponibilità del materiale più limitata.
I Grade 7 e 11 aggiungono palladio per resistere agli acidi riducenti, dove il titanio commercialmente puro è in difficoltà.
Il Grade 12 aggiunge molibdeno e nichel per resistere alla corrosione interstiziale ad alta temperatura.
La lavorazione, in breve
Entrambe le leghe condividono i fondamentali del titanio: bassa conducibilità termica, reattività chimica, ritorno elastico e il requisito imprescindibile che l’utensile resti in movimento con uno spessore di truciolo reale. Lavorare il Ti-6Al-4V riporta i parametri, che valgono per il Grade 2 con velocità superiori di circa il 50–80 %.
Il problema specifico del Grade 2 è che è pastoso. Forma tagliente di riporto e si strappa invece di tagliarsi di netto, quindi le finiture possono essere scadenti se gli utensili non sono affilati. Il problema del Grade 5 è il calore e l’usura degli utensili. Lamentele diverse, stesso rimedio: utensili affilati, avanzamento adeguato, refrigerante in pressione.
Per i pezzi a parete sottile, la minore rigidezza del Grade 2 peggiora la flessione invece di migliorarla. Vedere titanio a parete sottile.
Come decidere, con una sola domanda
Da cosa deve essere protetto il pezzo: dal carico o dalla chimica?
Se la risposta è la chimica, parta dal Grade 2 e salga solo se un calcolo delle sollecitazioni la obbliga. Se la risposta è il carico, parta dal Grade 5.
Se la risposta è entrambi, lo scriva nella richiesta di offerta insieme all’ambiente e ai carichi. È il tipo di domanda su cui un fornitore può aiutare prima che il disegno sia congelato, e porla allora costa molto meno che dopo il primo articolo.
Approfondimento: leghe di titanio.
Invii il disegno e ci dica a cosa serve il pezzo: riceve un’offerta a prezzo definito entro 24 ore lavorative e, se un grado più economico regge la Sua applicazione, glielo diciamo.