جدول المحتويات
1.0 ما هو التيتانيوم؟
1.1 ملخص:
قوية وخفيفة الوزن ومقاومة للتآكل بدرجة كبيرة.
متين ومناسب للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
1.2 التيتانيوم النقي:
يحتوي على الحد الأدنى من الشوائب (أقل من 0.1%)، مما يجعله منخفض القوة ولكن مرنًا للغاية.
1.3 سبائك التيتانيوم:
تم تصنيعه عن طريق إضافة معادن أخرى، وتم تطويره منذ حوالي 60-70 سنة.
2.0 ما هو الفولاذ المقاوم للصدأ؟
2.1 ملخص:
سبيكة من الحديد والكروم ومعادن أخرى.
معروفة بالقوة والمتانة والمقاومة الممتازة للتآكل.
2.2 دور الكروم:
يشكل طبقة واقية تمنع الصدأ.
2.3 الدرجات والأصناف:
متوفر بدرجات مختلفة على أساس البنية: الأوستنيتي، الفيريتي، والمارتنسيتي.
3.0 الخصائص المقارنة للفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم
| ملكية | الفولاذ المقاوم للصدأ | التيتانيوم |
| تعبير | الحديد والكربون والكروم والنيكل والمنجنيز وغيرها. | نقي تجاريًا أو ممزوج بالألمنيوم أو الفاناديوم أو غيرهما. |
| أنواع | التصلب الفريتى، التصلب المارتنسيتى، التصلب الأوستيني، التصلب المزدوج، التصلب بالترسيب | درجات CP 1-2، درجات CP 3-4، Ti 6Al-4V (الدرجة 5) |
| مقاومة التآكل | ممتاز (يختلف حسب الدرجة) | ممتاز، خاصة في البيئات التي تحتوي على الكلوريد |
| الخصائص المغناطيسية | الدرجات الفريتية مغناطيسية | غير مغناطيسي |
| يكلف | اقتصادي، خاصة بالمقارنة مع ألياف التيتانيوم والكربون | مرتفع بسبب تعقيد الإنتاج |
| قابلية التصنيع | جيد (على سبيل المثال، النوع 303 هو تصنيع حر) | جيد بشكل عام، ولكن من الصعب تصنيعه مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ |
| قابلية اللحام | ممتاز للحام القوس الكهربائي (TIG، MIG، MMA، SA) | جيد، ولكن قد يتطلب تقنيات متخصصة |
| مقاومة الحرارة | عالية (على سبيل المثال، 304 حتى 1600 درجة فهرنهايت، 310 حتى 1895 درجة فهرنهايت) | عالية (Ti 6Al-4V يؤدي أداءً جيدًا في درجات الحرارة المرتفعة) |
| وزن | ثقيل (حوالي 8 جم/سم³) | أخف وزنا (حوالي 4.5 جرام / سم مكعب) |
| قوة | يختلف حسب الدرجة، قوي بشكل عام | قوي جدًا، وخاصةً في السبائك مثل Ti 6Al-4V |
| كثافة | كثافة عالية (3 مرات أكثر من الألومنيوم) | كثافة أقل من الفولاذ المقاوم للصدأ |
| فعالية التكلفة | بشكل عام فعالة من حيث التكلفة لمقاومة التآكل | أغلى من الفولاذ المقاوم للصدأ |
| مقاومة الكلوريد | عرضة للتآكل في البيئات المحتوية على الكلوريد | مقاومة ممتازة، خاصة في مياه البحر |
| التطبيقات | خدمة الطعام، الأدوات الطبية، الفضاء، السيارات | تطبيقات الطيران والفضاء والبحرية والأداء العالي |
4.0 كيفية استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم في التصنيع؟
عند تصنيع الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم، يجب مراعاة اعتبارات محددة نظرًا لخصائصهما الفريدة. فيما يلي مقارنة للعوامل الرئيسية لتصنيع كل مادة:
| مميزة | التيتانيوم | الفولاذ المقاوم للصدأ | تعليق |
| سعر | ❌ | ✔️ | SS أقل تكلفة بعدة مرات |
| وزن | ✔️ | ❌ | Ti هو 40% الوزن للقوة المتساوية |
| قوة الشد/الخضوع | ✔️ | ✔️ | مكافئ تقريبًا، يعتمد على الدرجة |
| متانة | ❌ | ✔️ | يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة أفضل للصدمات والخدوش |
| تعبير | ✔️ | ✔️ | مجموعة واسعة من الدرجات المتاحة |
| مقاومة التآكل | ✔️ | ❌ | الفائز الواضح هو التيتانيوم الذي يتمتع بمقاومة فائقة للتآكل |
| صلابة | ❌ | ✔️ | بشكل عام SS، لكنه يعتمد على الدرجة |
| المقاومة الكيميائية | ✔️ | ❌ | في درجات الحرارة العادية، يتمتع Ti بالميزة |
| مقاومة درجة الحرارة | ❌ | ✔️ | SS حتى 2000 درجة فهرنهايت، Ti حتى 1500 درجة فهرنهايت |
فيما يلي مقارنة تفصيلية بين صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم، مع تسليط الضوء على الجوانب الرئيسية مثل التركيب، والخصائص الميكانيكية، والتكلفة، والتطبيقات.
| مادة | لوحة من الفولاذ المقاوم للصدأ | التيتانيوم |
| تعبير | أساسًا الحديد والكروم (10.5%+) والنيكل والموليبدينوم والكربون حسب الدرجة (على سبيل المثال، 304، 316) | عنصر معدني ممزوج بالألمنيوم والفاناديوم وما إلى ذلك (على سبيل المثال، Ti-6Al-4V، الدرجة 2) |
| مقاومة التآكل | مقاومة جيدة، معززة بدرجات مثل 316 للبيئات القاسية | مقاومة ممتازة، خاصة في البيئات القاسية مثل مياه البحر والمحاليل الحمضية |
| القوة والمتانة | قوة شد عالية ومتينة في التطبيقات الهيكلية، ولكنها تختلف حسب الدرجة | نسبة قوة إلى وزن استثنائية، قوة أكبر نسبة إلى الوزن، مناسبة للتطبيقات عالية الأداء |
| وزن | ثقيل نسبيًا مقارنة بالتيتانيوم | أخف وزنًا بكثير، مثالي للتطبيقات الحساسة للوزن مثل الطيران والفضاء |
| يكلف | ₹250-₹500 للكيلوغرام حسب الدرجة | ₹3,000-₹6,000 للكيلوغرام، مما يعكس تكاليف الاستخراج والمعالجة المرتفعة |
| قوة الشد | 520 ميجا باسكال (304) إلى 1300 ميجا باسكال (316) | 880 ميجا باسكال إلى 1200 ميجا باسكال (على سبيل المثال، Ti-6Al-4V) |
| صلابة | معتدل، يختلف حسب السبائك والمعالجة الحرارية | صلابة أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ، ومقاومة أفضل للتآكل |
| اللدونة | جيد ومناسب للتشكيل واللحام | أقل قابلية للطرق ولكنه يحتفظ بمرونة جيدة، وقد تكون بعض السبائك هشة |
| التطبيقات | البناء، المعدات الصناعية، السلع الاستهلاكية، صناعة الأغذية والمشروبات | الفضاء والبحرية والغرسات الطبية والسيارات عالية الأداء |
| المزايا | فعالة من حيث التكلفة، متعددة الاستخدامات، مقاومة جيدة للتآكل لمعظم الاستخدامات، سهلة اللحام | خفيف الوزن، نسبة عالية من القوة إلى الوزن، مقاومة ممتازة للتآكل، مناسب للبيئات القاسية |
| العيوب | أثقل من التيتانيوم، وقد لا يعمل بشكل جيد في ظل التآكل الشديد أو الظروف | غالية الثمن، وأكثر صعوبة في التصنيع واللحام، ويمكن أن تكون هشة في بعض الأشكال والظروف |
5.0 مقارنة القوة: التيتانيوم مقابل الفولاذ المقاوم للصدأ
5.1 قوة الشد
- سبائك التيتانيوم: 345–1380 ميجا باسكال (50,000–200,000 رطل/بوصة مربعة)، حسب السبائك والمعالجة.
- الفولاذ المقاوم للصدأ: يختلف حسب البنية البلورية والمعالجة، مع نطاق قوة واسع.
5.2 خصائص المواد
- البنية البلورية: يتمتع التيتانيوم ببنية سداسية مضغوطة (HCP)، مما يحد من مستويات الانزلاق ويزيد من القوة مع تقليل اللدونة. يظهر الفولاذ المقاوم للصدأ هياكل متنوعة (FCC وBCC وBCT) تؤثر على القوة والقابلية للطرق.
- التحكم في حجم الحبيبات: تستفيد كلتا المادتين من المعالجة الحرارية والتبريد المتحكم فيه لتحسين الخصائص.
- السبائك: يمكن استخدام التيتانيوم في شكله الأصلي أو المخلوط، في حين يتم خلط الفولاذ المقاوم للصدأ جوهريًا مع عناصر مثل الكروم والنيكل والموليبدينوم.
5.3 الأداء الحراري
- يحتفظ التيتانيوم بقوته في درجات الحرارة العالية (تصل إلى 550 درجة مئوية)، ويتم تعزيزه بشكل أكبر باستخدام سبائك الألومنيوم.
- يمكن معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك التيتانيوم بالحرارة لتحسين خصائصها.
5.4 سبائك فائقة التحمل لدرجات الحرارة العالية
توفر الهياكل أحادية البلورية في السبائك المتخصصة قدرة استثنائية على تحمل الحرارة، وغالبًا ما تستخدم في البيئات القاسية.
يقوم الجدول التالي بمقارنة خصائص القوة للفولاذ والتيتانيوم، مع التركيز على الخصائص الرئيسية مثل الكثافة، وقوة الخضوع للشد، والصلابة، وإجهاد الكسر، والصلابة.
| ملكية | فُولاَذ | التيتانيوم |
| كثافة | 7.8–8 جرام/سم3 | 4.51 جرام/سم3 |
| قوة الشد | 350 ميجاباسكال | 140 ميجاباسكال |
| صلابة | 200 جيجاباسكال | 116 جيجاباسكال |
| إجهاد الكسر | 15% | 54% |
| الصلادة (مقياس برينيل) | 121 | 70 |
6.0 عناصر السبائك وتأثيرها على الوزن
- تتضمن سبائك التيتانيوم مجموعة من عوامل السبائك:
- يساهم الألومنيوم الموجود في سبائك التيتانيوم في تقليل الوزن دون فقدان مفرط للقوة.
- يعمل الفاناديوم على تعزيز الخصائص الميكانيكية للسبائك.
- يتم إضافة الحديد في كثير من الأحيان لتحسين قابلية اللحام.
- يتم تضمين التيتانيوم في بعض سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ لتحسين مقاومة التآكل.
6.1 التوصيل الحراري ومقاومة التآكل
يتمتع كل من الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم بموصلية حرارية ضعيفة. تقل موصلية التيتانيوم مع ارتفاع درجة الحرارة، بينما يُظهر الفولاذ المقاوم للصدأ موصلية منخفضة مع زيادة طفيفة عند درجات الحرارة المرتفعة.
6.2 التيتانيوم مقابل الفولاذ المقاوم للصدأ: طبقات الأكسيد وتأثيراتها
- التيتانيوم:يشكل طبقة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) ذاتية الشفاء، مما يوفر مقاومة كيميائية وتوافقًا حيويًا ممتازين.
- الفولاذ المقاوم للصدأ:تطوير فيلم أكسيد الكروم (Cr₂O₃)، الذي يوفر مقاومة للتآكل وخصائص الإصلاح الذاتي في البيئات الغنية بالأكسجين.
6.3 استخدامات وتطبيقات التيتانيوم
يُستخدم التيتانيوم وعائلة السبائك الخاصة به على نطاق واسع في الصناعات عالية القيمة والمنتجات الاستهلاكية المتخصصة حيث تكون التكلفة ثانوية مقارنة بالأداء. تمتد طبيعة التيتانيوم غير السامة وخفيفة الوزن والمتوافقة بيولوجيًا إلى تطبيقات متعددة حيث تكون المتانة والموثوقية في غاية الأهمية.
- الفضاء: إن القوة العالية والوزن المنخفض والمقاومة للتآكل ودرجات الحرارة المرتفعة تجعل التيتانيوم مثاليًا للمحركات النفاثة وهياكل الطائرات والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية.
- طبي: يدعم توافقه الحيوي الاستخدام في الغرسات (المفاصل والأسنان) والأطراف الصناعية والأدوات الجراحية، مما يوفر المتانة والأمان للاتصال بالأنسجة على المدى الطويل.
- المعالجة الكيميائية: تتمتع هذه المادة بمقاومتها الاستثنائية للتآكل في البيئات الكيميائية القاسية مما يجعلها مناسبة للمبادلات الحرارية والصمامات والمفاعلات.
- جيش: القوة والمتانة ومقاومة التآكل تضمن استخدامها في المركبات المدرعة والمعدات البحرية والطائرات.
- المعدات الرياضية: تتمتع الدراجات ومضارب الجولف والمضارب بنسبة عالية من القوة إلى الوزن، مما يوفر الأداء والجاذبية الفاخرة.
- السيارات: تعمل المكونات خفيفة الوزن والمقاومة للتآكل مثل أنظمة العادم وأجزاء التعليق على تعزيز الأداء العالي للمركبات.
- النفط والغاز: تتمتع بالمرونة في البيئات البحرية والسوائل المسببة للتآكل مما يجعلها مناسبة للمنصات والمعدات البحرية.
- تحلية المياه: إن مقاومة الكلوريد تجعل التيتانيوم ضروريًا في تطبيقات التعامل مع المياه المالحة.
- معالجة الأغذية: تضمن خاصية عدم السمية الاستخدام الآمن للمعدات الحساسة للتلوث.
المراجع: https://jiga.io/articles/titanium-vs-stainless-steel/
