Sommario
- 1.0 Cos'è il titanio?
- 2.0 Cos'è l'acciaio inossidabile?
- 3.0 Proprietà comparative dell'acciaio inossidabile e del titanio
- 4.0 Come utilizzare l'acciaio inossidabile e il titanio nella lavorazione meccanica?
- 5.0 Confronto della resistenza: titanio contro acciaio inossidabile
- 6.0 Elementi di lega e loro influenza sul peso
1.0 Cos'è il titanio?
1.1 Panoramica:
Robusto, leggero e altamente resistente alla corrosione.
Durevole e adatto ad applicazioni ad alte temperature.
1.2 Titanio puro:
Contiene impurità minime (meno di 0,1%), il che lo rende poco resistente ma altamente flessibile.
1.3 Leghe di titanio:
Creato aggiungendo altri metalli, è stato sviluppato circa 60-70 anni fa.
2.0 Cos'è l'acciaio inossidabile?
2.1 Panoramica:
Una lega di ferro, cromo e altri metalli.
Noto per la sua robustezza, durevolezza ed eccellente resistenza alla corrosione.
2.2 Ruolo del cromo:
Forma uno strato protettivo che previene la ruggine.
2.3 Gradi e varietà:
Disponibile in diverse qualità in base alla struttura: austenitica, ferritica e martensitica.
3.0 Proprietà comparative dell'acciaio inossidabile e del titanio
| Proprietà | Acciaio inossidabile | Titanio |
| Composizione | Ferro, Carbonio, Cromo, Nichel, Manganese, ecc. | Commercialmente puro o in lega con alluminio, vanadio, ecc. |
| Tipi | Ferritico, Martensitico, Austenitico, Duplex, Indurimento per Precipitazione | CP gradi 1-2, CP gradi 3-4, Ti 6Al-4V (grado 5) |
| Resistenza alla corrosione | Eccellente (varia in base al grado) | Ottimo, soprattutto in ambienti clorurati |
| Proprietà magnetiche | I gradi ferritici sono magnetici | Non magnetico |
| Costo | Economico, soprattutto rispetto al titanio e alla fibra di carbonio | Elevato a causa della complessità della produzione |
| Lavorabilità | Buono (ad esempio, il tipo 303 è lavorabile liberamente) | Generalmente buono, ma più difficile da lavorare rispetto all'acciaio inossidabile |
| Saldabilità | Ottimo per la saldatura ad arco (TIG, MIG, MMA, SA) | Buono, ma potrebbe richiedere tecniche specializzate |
| Resistenza al calore | Alto (ad esempio, da 304 a 1600°F, da 310 a 1895°F) | Elevato (Ti 6Al-4V funziona bene a temperature elevate) |
| Peso | Pesante (circa 8 g/cm³) | Più leggero (circa 4,5 g/cm³) |
| Forza | Varia a seconda del grado, generalmente forte | Molto resistente, soprattutto in leghe come Ti 6Al-4V |
| Densità | Alta densità (3 volte superiore all'alluminio) | Densità inferiore all'acciaio inossidabile |
| Rapporto costo-efficacia | Generalmente conveniente per la resistenza alla corrosione | Più costoso dell'acciaio inossidabile |
| Resistenza al cloruro | Suscettibile di corrosione in ambienti con cloruro | Ottima resistenza, soprattutto in acqua di mare |
| Applicazioni | Servizi alimentari, strumenti medici, aerospaziale, automobilistico | Applicazioni aerospaziali, marine e ad alte prestazioni |
4.0 Come utilizzare l'acciaio inossidabile e il titanio nella lavorazione meccanica?
Quando si lavora l'acciaio inossidabile e il titanio, bisogna tenere conto di considerazioni specifiche a causa delle loro proprietà uniche. Di seguito è riportato un confronto dei fattori chiave per la lavorazione di ciascun materiale:
| Caratteristica | Titanio | Acciaio inossidabile | Commento |
| Prezzo | ❌ | ✔️ | SS è parecchie volte meno costoso |
| Peso | ✔️ | ❌ | Ti è 40% il peso per la stessa resistenza |
| Resistenza alla trazione/snervamento | ✔️ | ✔️ | Quasi equivalente, dipendente dal grado |
| Durata | ❌ | ✔️ | SS ha una migliore resistenza agli urti e ai graffi |
| Composizione | ✔️ | ✔️ | Ampia gamma di gradi disponibili |
| Resistenza alla corrosione | ✔️ | ❌ | Vincitore indiscusso, il titanio ha una resistenza alla corrosione superiore |
| Durezza | ❌ | ✔️ | In generale SS, ma dipende dal grado |
| Resistenza chimica | ✔️ | ❌ | A temperature normali, il Ti ha il vantaggio |
| Resistenza alla temperatura | ❌ | ✔️ | SS fino a 2000°F, Ti fino a 1500°F |
Ecco un confronto dettagliato tra la piastra in acciaio inossidabile e il titanio, evidenziando aspetti chiave quali composizione, proprietà meccaniche, costi e applicazioni.
| Materiale | Piastra in acciaio inossidabile | Titanio |
| Composizione | Principalmente ferro, cromo (10.5%+), nichel, molibdeno e carbonio a seconda del grado (ad esempio, 304, 316) | Elemento metallico legato con alluminio, vanadio, ecc. (ad esempio, Ti-6Al-4V, grado 2) |
| Resistenza alla corrosione | Buona resistenza, migliorata da gradi come 316 per ambienti difficili | Ottima resistenza, soprattutto in ambienti difficili come acqua di mare e soluzioni acide |
| Forza e durata | Elevata resistenza alla trazione, durevole nelle applicazioni strutturali, ma varia a seconda del grado | Eccezionale rapporto resistenza/peso, maggiore resistenza rispetto al peso, adatto per applicazioni ad alte prestazioni |
| Peso | Relativamente pesante rispetto al titanio | Molto più leggero, ideale per applicazioni sensibili al peso come l'industria aerospaziale |
| Costo | ₹250-₹500 al kg a seconda del grado | ₹3.000-₹6.000 al kg, a causa degli elevati costi di estrazione e lavorazione |
| Resistenza alla trazione | da 520 MPa (304) a 1300 MPa (316) | Da 880 MPa a 1200 MPa (ad es. Ti-6Al-4V) |
| Durezza | Moderato, varia a seconda della lega e del trattamento termico | Durezza superiore all'acciaio inossidabile, migliore resistenza all'usura |
| Duttilità | Buono, adatto per formatura e saldatura | Meno duttile ma mantiene una buona malleabilità, alcune leghe possono essere fragili |
| Applicazioni | Edilizia, attrezzature industriali, beni di consumo, industria alimentare e delle bevande | Aerospaziale, navale, impianti medici, automotive ad alte prestazioni |
| Vantaggi | Conveniente, versatile, buona resistenza alla corrosione per la maggior parte degli usi, facile da saldare | Leggero, elevato rapporto resistenza/peso, eccellente resistenza alla corrosione, adatto per ambienti difficili |
| Svantaggi | Più pesante del titanio, potrebbe non funzionare bene in condizioni di corrosione o condizioni estreme | Costoso, più difficile da lavorare e saldare, può essere fragile in alcune forme e condizioni |
5.0 Confronto della resistenza: titanio contro acciaio inossidabile
5.1 Resistenza alla trazione
- Leghe di titanio: 345–1380 MPa (50.000–200.000 psi), a seconda della lega e del trattamento.
- Acciai inossidabili: variano in base alla struttura cristallina e alla lavorazione, con un'ampia gamma di resistenza.
5.2 Proprietà del materiale
- Struttura cristallina: il titanio ha una struttura esagonale compatta (HCP), che limita i piani di scorrimento e aumenta la resistenza riducendo al contempo la duttilità. L'acciaio inossidabile presenta diverse strutture (FCC, BCC, BCT) che influenzano la resistenza e la malleabilità.
- Controllo della granulometria: entrambi i materiali traggono vantaggio dal trattamento termico e dal raffreddamento controllato per migliorarne le proprietà.
- Leghe: il titanio può essere utilizzato in forma nativa o in lega, mentre l'acciaio inossidabile è intrinsecamente legato con elementi come cromo, nichel e molibdeno.
5.3 Prestazioni termiche
- Il titanio mantiene la sua resistenza anche ad alte temperature (fino a 550°C), ulteriormente migliorata dalla lega di alluminio.
- L'acciaio inossidabile e le leghe di titanio possono essere trattati termicamente per migliorarne le proprietà.
5.4 Superleghe ad alta temperatura
Le strutture monocristalline in leghe specializzate offrono un'eccezionale tolleranza al calore e sono spesso utilizzate in ambienti estremi.
La tabella seguente confronta le proprietà di resistenza dell'acciaio e del titanio, concentrandosi su caratteristiche chiave quali densità, resistenza allo snervamento a trazione, rigidità, deformazione a frattura e durezza.
| Proprietà | Acciaio | Titanio |
| Densità | 7,8–8 g/cm³ | 4,51 g/cm³ |
| Resistenza allo snervamento alla trazione | 350 megapascal | 140 megapascal |
| Rigidità | 200 gigapascal | 116 gigapascal |
| Deformazione da frattura | 15% | 54% |
| Durezza (scala Brinell) | 121 | 70 |
6.0 Elementi di lega e loro influenza sul peso
- Le leghe di titanio includono una gamma di agenti leganti:
- L'alluminio nelle leghe di titanio contribuisce a ridurre il peso senza eccessiva perdita di resistenza.
- Il vanadio migliora le proprietà meccaniche della lega.
- Spesso si aggiunge ferro per migliorarne la saldabilità.
- Il titanio è presente in alcune leghe di acciaio inossidabile per migliorarne la resistenza alla corrosione.
6.1 Conduttività termica e resistenza alla corrosione
Sia l'acciaio inossidabile che il titanio hanno una scarsa conduttività termica. La conduttività del titanio diminuisce con l'aumentare della temperatura, mentre l'acciaio inossidabile mostra una bassa conduttività con un leggero aumento a temperature più elevate.
6.2 Titanio contro acciaio inossidabile: strati di ossido e loro effetti
- Titanio: Forma uno strato di biossido di titanio (TiO₂) auto-riparante, garantendo un'eccellente resistenza chimica e biocompatibilità.
- Acciaio inossidabile: Sviluppa una pellicola di ossido di cromo (Cr₂O₃), offrendo resistenza alla corrosione e proprietà autoriparanti in ambienti ricchi di ossigeno.
6.3 Utilizzo e applicazioni del titanio
Il titanio e la sua famiglia di leghe sono ampiamente utilizzati in settori ad alto valore e prodotti di consumo specializzati in cui il costo è secondario rispetto alle prestazioni. La natura atossica, leggera e biocompatibile del titanio estende la sua versatilità ad applicazioni in cui la durata e l'affidabilità sono fondamentali.
- Aerospaziale: L'elevata resistenza, il peso ridotto e la resistenza alla corrosione e alle alte temperature rendono il titanio ideale per motori a reazione, cellule di aerei, veicoli spaziali e satelliti.
- Medico: La sua biocompatibilità ne consente l'uso in impianti (articolazioni, denti), protesi e strumenti chirurgici, offrendo durata e sicurezza nel contatto a lungo termine con i tessuti.
- Elaborazione chimica: L'eccezionale resistenza alla corrosione in ambienti chimici aggressivi lo rende adatto per scambiatori di calore, valvole e reattori.
- Militare: La robustezza, la durevolezza e la resistenza alla corrosione ne garantiscono l'impiego nei veicoli blindati, nelle attrezzature navali e negli aerei.
- Attrezzatura sportiva: Un elevato rapporto resistenza/peso è vantaggioso per biciclette, mazze da golf e racchette, che offrono sia prestazioni che un aspetto lussuoso.
- Automobilistico: Componenti leggeri e resistenti alla corrosione, come sistemi di scarico e parti delle sospensioni, migliorano le prestazioni dei veicoli.
- Petrolio e gas: La resistenza agli ambienti marini e ai fluidi corrosivi lo rende adatto per piattaforme e attrezzature offshore.
- Desalinizzazione: La resistenza al cloruro rende il titanio essenziale nelle applicazioni di gestione dell'acqua salata.
- Lavorazione degli alimenti: La non tossicità garantisce un utilizzo sicuro in apparecchiature sensibili alla contaminazione.
Riferimenti: https://jiga.io/articles/titanium-vs-stainless-steel/
