1.0تیتانیوم چیست؟
1.1نمای کلی:
محکم، سبک و بسیار مقاوم در برابر خوردگی.
بادوام و مناسب برای کاربردهای با دمای بالا.
1.2تیتانیوم خالص:
حاوی حداقل ناخالصی (کمتر از 0.1%) است که باعث می‌شود استحکام کمی داشته باشد اما بسیار انعطاف‌پذیر باشد.
1.3آلیاژهای تیتانیوم:
این فلز که با افزودن فلزات دیگر ایجاد شده، حدود ۶۰ تا ۷۰ سال پیش توسعه یافته است.
2.0فولاد ضد زنگ چیست؟
2.1نمای کلی:
آلیاژی از آهن، کروم و فلزات دیگر.
به دلیل استحکام، دوام و مقاومت عالی در برابر خوردگی شناخته شده است.
2.2نقش کروم:
یک لایه محافظ تشکیل می‌دهد که از زنگ‌زدگی جلوگیری می‌کند.
2.3درجات و گونه‌ها:
بر اساس ساختار در گریدهای مختلف موجود است: آستنیتی، فریتی و مارتنزیتی.
3.0خواص مقایسه‌ای فولاد ضد زنگ و تیتانیوم
| ملک | فولاد ضد زنگ | تیتانیوم |
| ترکیب | آهن، کربن، کروم، نیکل، منگنز و غیره | به صورت خالص تجاری یا آلیاژ شده با آلومینیوم، وانادیوم و غیره. |
| انواع | فریتی، مارتنزیتی، آستنیتی، دوپلکس، سخت‌کاری رسوبی | گریدهای CP 1-2، گریدهای CP 3-4، Ti 6Al-4V (گرید 5) |
| مقاومت در برابر خوردگی | عالی (بسته به درجه متفاوت است) | عالی، به خصوص در محیط‌های کلریدی |
| خواص مغناطیسی | گریدهای فریتی مغناطیسی هستند | غیر مغناطیسی |
| هزینه | مقرون به صرفه، به خصوص در مقایسه با تیتانیوم و فیبر کربن | بالا به دلیل پیچیدگی تولید |
| قابلیت ماشینکاری | خوب (مثلاً نوع 303 ماشینکاری آزاد است) | به طور کلی خوب است، اما ماشینکاری آن از فولاد ضد زنگ سخت‌تر است |
| جوش پذیری | عالی برای جوشکاری قوس الکتریکی (TIG، MIG، MMA، SA) | خوبه، اما ممکنه به تکنیک‌های تخصصی نیاز داشته باشه |
| مقاومت در برابر حرارت | بالا (مثلاً، 304 تا 1600 درجه فارنهایت، 310 تا 1895 درجه فارنهایت) | بالا (Ti 6Al-4V در دماهای بالا عملکرد خوبی دارد) |
| وزن | سنگین (تقریباً ۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب) | سبک‌تر (تقریباً ۴.۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب) |
| قدرت | بسته به درجه متفاوت است، عموماً قوی است | بسیار قوی، به خصوص در آلیاژهایی مانند Ti 6Al-4V |
| تراکم | چگالی بالا (۳ برابر بیشتر از آلومینیوم) | چگالی کمتر از فولاد ضد زنگ |
| مقرون به صرفه بودن | به طور کلی برای مقاومت در برابر خوردگی مقرون به صرفه است | گران‌تر از فولاد ضد زنگ |
| مقاومت در برابر کلرید | مستعد ایجاد حفره در محیط‌های کلریدی | مقاومت عالی، به ویژه در آب دریا |
| کاربردها | خدمات غذایی، ابزار پزشکی، هوافضا، خودرو | هوافضا، دریایی، کاربردهای با کارایی بالا |
4.0چگونه از فولاد ضد زنگ و تیتانیوم در ماشینکاری استفاده کنیم؟
هنگام ماشینکاری فولاد ضد زنگ و تیتانیوم، به دلیل خواص منحصر به فرد آنها، ملاحظات خاصی باید در نظر گرفته شود. در زیر مقایسه‌ای از عوامل کلیدی برای ماشینکاری هر ماده آورده شده است:
| مشخصه | تیتانیوم | فولاد ضد زنگ | نظر دهید |
| قیمت | ❌ | ✔️ | SS چندین برابر ارزان‌تر است |
| وزن | ✔️ | ❌ | وزن Ti برای استحکام برابر، 40% است. |
| استحکام کششی/تسلیم | ✔️ | ✔️ | تقریباً معادل، وابسته به درجه |
| دوام | ❌ | ✔️ | SS مقاومت بهتری در برابر ضربه و خراش دارد |
| ترکیب | ✔️ | ✔️ | طیف گسترده‌ای از نمرات موجود |
| مقاومت در برابر خوردگی | ✔️ | ❌ | برنده‌ی قطعی، تیتانیوم مقاومت به خوردگی برتر دارد |
| سختی | ❌ | ✔️ | به طور کلی SS، اما وابسته به درجه است |
| مقاومت شیمیایی | ✔️ | ❌ | در دماهای معمولی، تیتانیوم برتری دارد |
| مقاومت در برابر دما | ❌ | ✔️ | فولاد ضد زنگ تا ۲۰۰۰ درجه فارنهایت، فولاد تیتانیوم تا ۱۵۰۰ درجه فارنهایت |
در اینجا مقایسه دقیقی بین ورق استیل ضد زنگ و تیتانیوم ارائه شده است که جنبه‌های کلیدی مانند ترکیب، خواص مکانیکی، هزینه و کاربردها را برجسته می‌کند.
| مواد | صفحه استیل ضد زنگ | تیتانیوم |
| ترکیب | عمدتاً آهن، کروم (10.5%+)، نیکل، مولیبدن و کربن بسته به گرید (مثلاً 304، 316) | عنصر فلزی آلیاژ شده با آلومینیوم، وانادیوم و غیره (به عنوان مثال، Ti-6Al-4V، درجه 2) |
| مقاومت در برابر خوردگی | مقاومت خوب، که با گریدهایی مانند ۳۱۶ برای محیط‌های سخت بهبود یافته است | مقاومت عالی، به ویژه در محیط‌های خشن مانند آب دریا و محلول‌های اسیدی |
| استحکام و دوام | استحکام کششی بالا، بادوام در کاربردهای سازه‌ای، اما بسته به درجه متفاوت است | نسبت استحکام به وزن استثنایی، استحکام بیشتر نسبت به وزن، مناسب برای کاربردهای با کارایی بالا |
| وزن | در مقایسه با تیتانیوم نسبتاً سنگین است | بسیار سبک‌تر، ایده‌آل برای کاربردهای حساس به وزن مانند هوافضا |
| هزینه | ۲۵۰ تا ۵۰۰ روپیه به ازای هر کیلوگرم، بسته به نوع محصول | ۳۰۰۰ تا ۶۰۰۰ روپیه به ازای هر کیلوگرم، که نشان‌دهنده هزینه‌های بالای استخراج و فرآوری است |
| استحکام کششی | 520 مگاپاسکال (304) تا 1300 مگاپاسکال (316) | 880 مگاپاسکال تا 1200 مگاپاسکال (به عنوان مثال Ti-6Al-4V) |
| سختی | متوسط، بسته به آلیاژ و عملیات حرارتی متفاوت است | سختی بالاتر از فولاد ضد زنگ، مقاومت در برابر سایش بهتر |
| شکل‌پذیری | خوب، مناسب برای شکل‌دهی و جوشکاری | کمتر شکل‌پذیر است اما چکش‌خواری خوبی را حفظ می‌کند، برخی از آلیاژها ممکن است شکننده باشند |
| کاربردها | ساخت و ساز، تجهیزات صنعتی، کالاهای مصرفی، صنایع غذایی و آشامیدنی | هوافضا، دریایی، ایمپلنت‌های پزشکی، خودروسازی با عملکرد بالا |
| مزایا | مقرون به صرفه، همه کاره، مقاومت در برابر خوردگی خوب برای اکثر کاربردها، جوشکاری آسان | سبک، نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت عالی در برابر خوردگی، مناسب برای محیط‌های خشن |
| معایب | سنگین‌تر از تیتانیوم است، ممکن است در برابر خوردگی یا شرایط شدید عملکرد خوبی نداشته باشد | گران است، ماشینکاری و جوشکاری آن دشوارتر است، در برخی اشکال و شرایط می‌تواند شکننده باشد |
5.0مقایسه استحکام: تیتانیوم در مقابل فولاد ضد زنگ
5.1استحکام کششی
- آلیاژهای تیتانیوم: ۳۴۵ تا ۱۳۸۰ مگاپاسکال (۵۰،۰۰۰ تا ۲۰۰،۰۰۰ psi)، بسته به آلیاژ و عملیات حرارتی.
- فولادهای ضد زنگ: از نظر ساختار کریستالی و فرآوری متفاوت هستند و طیف وسیعی از استحکام را دارند.
5.2خواص مواد
- ساختار کریستالی: تیتانیوم ساختار شش ضلعی فشرده (HCP) دارد که صفحات لغزش را محدود کرده و استحکام را افزایش می‌دهد در حالی که شکل‌پذیری را کاهش می‌دهد. فولاد ضد زنگ ساختارهای متنوعی (FCC، BCC، BCT) از خود نشان می‌دهد که بر استحکام و چکش‌خواری تأثیر می‌گذارند.
- کنترل اندازه دانه: هر دو ماده از عملیات حرارتی و خنک‌سازی کنترل‌شده برای بهبود خواص بهره‌مند می‌شوند.
- آلیاژسازی: تیتانیوم را می‌توان به صورت خالص یا آلیاژی استفاده کرد، در حالی که فولاد ضد زنگ ذاتاً با عناصری مانند کروم، نیکل و مولیبدن آلیاژ می‌شود.
5.3عملکرد حرارتی
- تیتانیوم در دماهای بالا (تا ۵۵۰ درجه سانتیگراد) استحکام خود را حفظ می‌کند، که این استحکام با آلیاژسازی آلومینیوم بیشتر نیز افزایش می‌یابد.
- آلیاژهای فولاد ضد زنگ و تیتانیوم را می‌توان برای بهبود خواص، تحت عملیات حرارتی قرار داد.
5.4سوپرآلیاژهای دما بالا
ساختارهای تک‌بلوری در آلیاژهای تخصصی، تحمل حرارتی فوق‌العاده‌ای را فراهم می‌کنند که اغلب در محیط‌های بسیار سخت مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جدول زیر خواص مقاومتی فولاد و تیتانیوم را با تمرکز بر ویژگی‌های کلیدی مانند چگالی، استحکام تسلیم کششی، سفتی، کرنش شکست و سختی مقایسه می‌کند.
| ملک | فولاد | تیتانیوم |
| تراکم | ۷.۸–۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب | ۴.۵۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب |
| استحکام تسلیم کششی | ۳۵۰ مگاپاسکال | ۱۴۰ مگاپاسکال |
| سفتی | ۲۰۰ گیگاپاسکال | ۱۱۶ گیگاپاسکال |
| کرنش شکستگی | 15% | 54% |
| سختی (مقیاس برینل) | 121 | 70 |
6.0عناصر آلیاژی و تأثیر آنها بر وزن
- آلیاژهای تیتانیوم شامل طیف وسیعی از عوامل آلیاژی هستند:
- آلومینیوم موجود در آلیاژهای تیتانیوم به کاهش وزن بدون از دست دادن بیش از حد استحکام کمک می‌کند.
- وانادیوم خواص مکانیکی آلیاژ را افزایش می‌دهد.
- آهن اغلب برای بهبود قابلیت جوشکاری اضافه می‌شود.
- تیتانیوم در برخی از آلیاژهای فولاد ضد زنگ برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی گنجانده شده است.
6.1رسانایی حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی
فولاد ضد زنگ و تیتانیوم هر دو رسانایی حرارتی ضعیفی دارند. رسانایی تیتانیوم با افزایش دما کاهش می‌یابد، در حالی که فولاد ضد زنگ رسانایی کمی دارد و در دماهای بالاتر اندکی افزایش می‌یابد.
6.2تیتانیوم در مقابل فولاد ضد زنگ: لایه‌های اکسید و اثرات آنها
- تیتانیوم: یک لایه دی اکسید تیتانیوم (TiO₂) خود ترمیم شونده تشکیل می‌دهد که مقاومت شیمیایی و زیست سازگاری عالی را فراهم می‌کند.
- فولاد ضد زنگ: یک لایه نازک اکسید کروم (Cr₂O₃) ایجاد می‌کند که مقاومت در برابر خوردگی و خواص خودترمیمی را در محیط‌های غنی از اکسیژن ارائه می‌دهد.
6.3کاربردها و موارد استفاده تیتانیوم
تیتانیوم و خانواده آلیاژهای آن به طور گسترده در صنایع با ارزش بالا و محصولات مصرفی تخصصی که در آنها هزینه نسبت به عملکرد در درجه دوم اهمیت قرار دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. ماهیت غیرسمی، سبک و زیست‌سازگار تیتانیوم، تطبیق‌پذیری آن را به کاربردهایی که دوام و قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است، گسترش می‌دهد.
- هوافضا: استحکام بالا، وزن کم و مقاومت در برابر خوردگی و دماهای بالا، تیتانیوم را برای موتورهای جت، بدنه هواپیما، فضاپیماها و ماهواره‌ها ایده‌آل می‌کند.
- پزشکی: زیست‌سازگاری آن، استفاده در ایمپلنت‌ها (مفاصل، دندان)، پروتزها و ابزارهای جراحی را پشتیبانی می‌کند و دوام و ایمنی را برای تماس طولانی‌مدت با بافت ارائه می‌دهد.
- فرآوری شیمیایی: مقاومت استثنایی در برابر خوردگی در محیط‌های شیمیایی خشن، آن را برای مبدل‌های حرارتی، شیرها و راکتورها مناسب می‌کند.
- نظامی: استحکام، دوام و مقاومت در برابر خوردگی، استفاده از آن را در خودروهای زرهی، تجهیزات دریایی و هواپیماها تضمین می‌کند.
- تجهیزات ورزشی: نسبت بالای استحکام به وزن، دوچرخه‌ها، چوب‌های گلف و راکت‌ها را بهره‌مند می‌کند و هم عملکرد و هم جذابیت لوکس را ارائه می‌دهد.
- خودرو: اجزای سبک و مقاوم در برابر خوردگی مانند سیستم‌های اگزوز و قطعات سیستم تعلیق، عملکرد بالای خودروها را بهبود می‌بخشند.
- نفت و گاز: مقاومت در محیط‌های دریایی و سیالات خورنده، آن را برای سکوها و تجهیزات فراساحلی مناسب می‌کند.
- نمک‌زدایی: مقاومت در برابر کلرید، تیتانیوم را در کاربردهای جابجایی آب شور ضروری می‌کند.
- فرآوری مواد غذایی: عدم سمیت، استفاده ایمن در تجهیزات حساس به آلودگی را تضمین می‌کند.
منابع: https://jiga.io/articles/titanium-vs-stainless-steel/