Tytan Grade 2 czy Grade 5: być może płacą Państwo za wytrzymałość, której nie wykorzystują
Grade 5 to domyślny tytan w głowach większości ludzi. Stanowi mniej więcej połowę całego używanego tytanu, to właśnie on oznacza „tytan” w lotnictwie i pojawia się na rysunkach, na których Grade 2 wykonałby zadanie taniej i z mniejszym kłopotem.
Czasem taka podmiana jest błędna. Często nie jest. Oto jak to ocenić.
Dwa stopy
Grade 2 to tytan technicznie czysty: około 99 % tytanu z kontrolowaną zawartością tlenu i żelaza. Struktura jednofazowa alfa. Miękki, ciągliwy, wyjątkowo odporny na korozję, łatwy do spawania i kształtowania.
Grade 5 to Ti-6Al-4V: 6 % aluminium, 4 % wanadu. Struktura dwufazowa alfa-beta, poddaje się obróbce cieplnej, wytrzymałość około trzy razy większa niż Grade 2.
| Grade 2 | Grade 5 (Ti-6Al-4V) | |
|---|---|---|
| Granica plastyczności | ~275 MPa | ~830 MPa |
| Wytrzymałość na rozciąganie | ~345 MPa | ~900 MPa |
| Twardość | ~145 HV | ~340 HV (~36 HRC) |
| Wydłużenie | ~20 % | ~14 % |
| Maks. temperatura pracy | ~300 °C | ~400 °C |
| Spawalność | Doskonała | Dobra, wymaga staranności i osłony gazem obojętnym |
| Kształtowalność | Dobra na zimno | Słaba na zimno, wymagane kształtowanie na gorąco |
| Odporność na korozję | Najlepsza z dwóch | Bardzo dobra, nieco poniżej Gr 2 |
| Względny koszt materiału | Punkt odniesienia | ~1.3–1.6× |
| Względny koszt obróbki | ~0.5–0.7× Grade 5 | Punkt odniesienia |
Dwa wiersze zasługują na uwagę. Grade 2 ma lepszą odporność na korozję, a nie gorszą, bo dodatki stopowe nieco ją obniżają. A Grade 2 obrabia się mniej więcej dwa razy łatwiej, co na złożonej części może liczyć się bardziej niż cena materiału.
Kiedy Grade 2 jest właściwą odpowiedzią
Wymaganiem jest odporność na korozję, a nie obciążenie. Rurociągi procesów chemicznych, elementy wymienników ciepła, anody, złączki do wody morskiej, osprzęt odsalania, wyposażenie okrętowe. Jeśli zadaniem części jest nie korodować, tańszy i bardziej odporny na korozję stop jest też stopem lepszym.
Część jest spawana. Grade 2 spawa się łatwo. Grade 5 też, ale spoina i strefa wpływu ciepła tracą ciągliwość, a procedura wymaga prawidłowej osłony gazem obojętnym z przodu i z tyłu. Dla zespołu spawanego Grade 2 usuwa całą kategorię ryzyka.
Część jest kształtowana. Grade 2 można kształtować na zimno. Grade 5 w dużej mierze nie.
Naprężenia są naprawdę niskie. Wsporniki, pokrywy, obudowy i przekładki, które niosą prawie nic, ale muszą wytrzymać chemię albo być niemagnetyczne i lekkie.
Implanty medyczne, gdy norma na to pozwala. Grade 2 i Grade 4 stosuje się w elementach implantów, gdy wytrzymałość na to pozwala; Grade 23 ELI obejmuje przypadki wysokiej wytrzymałości.
Kiedy Grade 5 zasługuje na swoją cenę
Obciążenie konstrukcyjne. Wszystko, co przenosi istotne naprężenia. Trzykrotnie większa granica plastyczności to nie mały zapas.
Zmęczenie. Obciążenia cykliczne wyraźnie faworyzują Grade 5.
Gwinty i małe elementy nośne. Gwinty z Grade 2 zacierają się i zrywają przy obciążeniach, które Grade 5 znosi bez trudu.
Podwyższona temperatura pod obciążeniem.
Konstrukcje krytyczne pod względem masy, gdzie stosunek wytrzymałości do masy jest całym powodem wyboru tytanu.
Gatunki pośrednie
Wybór nie jest binarny.
Grade 9 (Ti-3Al-2.5V) leży pośrodku: granica plastyczności około 620 MPa, nadal spawalny i kształtowalny, powszechnie stosowany na rury i przewody hydrauliczne. Jest niedoceniany przez kupujących, którzy znają tylko 2 i 5.
Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) to Grade 5 z obniżoną zawartością tlenu i żelaza dla lepszej odporności na pękanie i właściwości kriogenicznych. Standard w implantach i niektórych zastosowaniach lotniczych. Droższy i z trudniejszą dostępnością materiału.
Grade 7 i 11 dodają pallad dla odporności w kwasach redukujących, w których tytan technicznie czysty ma kłopoty.
Grade 12 dodaje molibden i nikiel dla odporności na korozję szczelinową w podwyższonej temperaturze.
Obróbka, w skrócie
Oba stopy dzielą podstawy tytanu: niską przewodność cieplną, reaktywność chemiczną, sprężynowanie i twardy wymóg, aby narzędzie stale się poruszało i trzymało prawdziwe obciążenie wiórem. Obróbka Ti-6Al-4V podaje parametry, a dla Grade 2 obowiązują one z prędkościami większymi o około 50–80 %.
Szczególny problem Grade 2 polega na tym, że jest lepki. Narasta na krawędzi i rwie zamiast ścinać, więc wykończenie może być słabe, jeśli narzędzie nie jest ostre. Problemem Grade 5 jest ciepło i zużycie narzędzia. Różne dolegliwości, to samo lekarstwo: ostre narzędzia, odpowiedni posuw, chłodziwo pod ciśnieniem.
Przy częściach cienkościennych niższa sztywność Grade 2 pogarsza ugięcie zamiast je poprawiać, zob. cienkościenne części tytanowe.
Jak zdecydować, jednym pytaniem
Przed czym ma być chroniona część: obciążeniem czy chemią?
Jeśli odpowiedź to chemia, proszę zacząć od Grade 2 i przejść wyżej tylko wtedy, gdy zmusi do tego obliczenie naprężeń. Jeśli odpowiedź to obciążenie, proszę zacząć od Grade 5.
Jeśli odpowiedź brzmi „jedno i drugie”, proszę napisać to w zapytaniu razem ze środowiskiem i obciążeniami. To pytanie, w którym dostawca może pomóc, zanim rysunek zostanie zamrożony, i o wiele taniej zadać je wtedy niż po pierwszej sztuce.
Tło: stopy tytanu.
Proszę przesłać rysunek i opis, do czego służy część. Jeśli tańszy gatunek przetrwa w Państwa zastosowaniu, powiemy to.