Mục lục
1.0 Titan là gì?
1.1 Tổng quan:
Chắc chắn, nhẹ và có khả năng chống ăn mòn cao.
Bền và phù hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao.
1.2 Titan nguyên chất:
Chứa rất ít tạp chất (ít hơn 0,1%), khiến nó có độ bền thấp nhưng lại có độ dẻo cao.
1.3 Hợp kim Titan:
Được tạo ra bằng cách thêm các kim loại khác, loại vật liệu này được phát triển cách đây khoảng 60-70 năm.
2.0 Thép không gỉ là gì?
2.1 Tổng quan:
Một hợp kim của sắt, crom và các kim loại khác.
Được biết đến với độ bền, chắc chắn và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời.
2.2 Vai trò của Crom:
Tạo lớp bảo vệ chống gỉ sét.
2.3 Các loại và cấp độ:
Có nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc: austenitic, ferritic và martensitic.
3.0 Tính chất so sánh của thép không gỉ và titan
| Tài sản | Thép không gỉ | Titan |
| Thành phần | Sắt, Cacbon, Crom, Niken, Mangan, v.v. | Tinh khiết thương mại hoặc hợp kim với nhôm, vanadi, v.v. |
| Các loại | Ferritic, Martensitic, Austenitic, Duplex, Làm cứng kết tủa | CP Lớp 1-2, CP Lớp 3-4, Ti 6Al-4V (Lớp 5) |
| Chống ăn mòn | Xuất sắc (thay đổi theo từng cấp độ) | Tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường clorua |
| Tính chất từ tính | Các lớp ferit có từ tính | Không từ tính |
| Trị giá | Tiết kiệm, đặc biệt là khi so sánh với titan và sợi carbon | Cao do tính phức tạp của sản xuất |
| Khả năng gia công | Tốt (ví dụ, Loại 303 là gia công tự do) | Nói chung là tốt, nhưng khó gia công hơn thép không gỉ |
| Khả năng hàn | Tuyệt vời cho hàn hồ quang (TIG, MIG, MMA, SA) | Tốt, nhưng có thể cần đến các kỹ thuật chuyên môn |
| Khả năng chịu nhiệt | Cao (ví dụ: 304 lên đến 1600°F, 310 lên đến 1895°F) | Cao (Ti 6Al-4V hoạt động tốt ở nhiệt độ cao) |
| Cân nặng | Nặng (khoảng 8 g/cm³) | Nhẹ hơn (khoảng 4,5 g/cm³) |
| Sức mạnh | Thay đổi theo cấp độ, nói chung là mạnh | Rất bền, đặc biệt là trong các hợp kim như Ti 6Al-4V |
| Tỉ trọng | Mật độ cao (gấp 3 lần so với nhôm) | Mật độ thấp hơn thép không gỉ |
| Hiệu quả về chi phí | Nói chung là hiệu quả về mặt chi phí cho khả năng chống ăn mòn | Đắt hơn thép không gỉ |
| Kháng clorua | Dễ bị rỗ trong môi trường clorua | Khả năng chống chịu tuyệt vời, đặc biệt là trong nước biển |
| Ứng dụng | Dịch vụ thực phẩm, dụng cụ y tế, hàng không vũ trụ, ô tô | Hàng không vũ trụ, hàng hải, ứng dụng hiệu suất cao |
4.0 Làm thế nào để sử dụng thép không gỉ và titan trong gia công?
Khi gia công thép không gỉ và titan, cần phải cân nhắc cụ thể do tính chất độc đáo của chúng. Dưới đây là so sánh các yếu tố chính để gia công từng vật liệu:
| Đặc điểm | Titan | Thép không gỉ | Bình luận |
| Giá | ❌ | ✔️ | SS rẻ hơn nhiều lần |
| Cân nặng | ✔️ | ❌ | Ti là 40% trọng lượng cho sức mạnh như nhau |
| Độ bền kéo/giới hạn chảy | ✔️ | ✔️ | Gần tương đương, phụ thuộc vào cấp độ |
| Độ bền | ❌ | ✔️ | SS có khả năng chống va đập và trầy xước tốt hơn |
| Thành phần | ✔️ | ✔️ | Nhiều loại lớp có sẵn |
| Chống ăn mòn | ✔️ | ❌ | Người chiến thắng rõ ràng, titan có khả năng chống ăn mòn vượt trội |
| Độ cứng | ❌ | ✔️ | Nói chung là SS, nhưng nó phụ thuộc vào cấp độ |
| Kháng hóa chất | ✔️ | ❌ | Ở nhiệt độ bình thường, Ti có lợi thế |
| Khả năng chịu nhiệt | ❌ | ✔️ | SS lên đến 2000°F, Ti lên đến 1500°F |
Sau đây là so sánh chi tiết giữa Tấm thép không gỉ và Titan, nêu bật các khía cạnh chính như thành phần, tính chất cơ học, chi phí và ứng dụng.
| Vật liệu | Tấm thép không gỉ | Titan |
| Thành phần | Chủ yếu là sắt, crom (10,5%+), niken, molypden và carbon tùy thuộc vào cấp độ (ví dụ: 304, 316) | Nguyên tố kim loại hợp kim với nhôm, vanadi, v.v. (ví dụ: Ti-6Al-4V, Cấp 2) |
| Chống ăn mòn | Khả năng chống chịu tốt, được tăng cường bằng các cấp như 316 cho môi trường khắc nghiệt | Khả năng chống chịu tuyệt vời, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt như nước biển và dung dịch có tính axit |
| Sức mạnh và độ bền | Độ bền kéo cao, bền trong các ứng dụng kết cấu, nhưng thay đổi tùy theo cấp độ | Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng đặc biệt, sức mạnh lớn hơn so với trọng lượng, phù hợp cho các ứng dụng hiệu suất cao |
| Cân nặng | Tương đối nặng so với titan | Nhẹ hơn nhiều, lý tưởng cho các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng như hàng không vũ trụ |
| Trị giá | ₹250-₹500 một kg tùy theo cấp độ | ₹3.000-₹6.000 một kg, phản ánh chi phí khai thác và chế biến cao |
| Độ bền kéo | 520 MPa (304) đến 1300 MPa (316) | 880 MPa đến 1200 MPa (ví dụ: Ti-6Al-4V) |
| Độ cứng | Trung bình, thay đổi tùy theo hợp kim và xử lý nhiệt | Độ cứng cao hơn thép không gỉ, khả năng chống mài mòn tốt hơn |
| Độ dẻo | Tốt, thích hợp cho việc tạo hình và hàn | Ít dẻo hơn nhưng vẫn giữ được độ dẻo tốt, một số hợp kim có thể giòn |
| Ứng dụng | Xây dựng, thiết bị công nghiệp, hàng tiêu dùng, thực phẩm và đồ uống | Hàng không vũ trụ, hàng hải, cấy ghép y tế, ô tô hiệu suất cao |
| Thuận lợi | Tiết kiệm chi phí, đa năng, chống ăn mòn tốt cho hầu hết các mục đích sử dụng, dễ hàn | Nhẹ, tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, phù hợp với môi trường khắc nghiệt |
| Nhược điểm | Nặng hơn titan, nó có thể không hoạt động tốt trong điều kiện ăn mòn hoặc điều kiện khắc nghiệt | Đắt tiền, khó gia công và hàn hơn, có thể giòn ở một số dạng và điều kiện |
5.0 So sánh độ bền: Titan so với thép không gỉ
5.1 Độ bền kéo
- Hợp kim titan: 345–1380 MPa (50.000–200.000 psi), tùy thuộc vào hợp kim và phương pháp xử lý.
- Thép không gỉ: Thay đổi theo cấu trúc tinh thể và cách chế biến, có phạm vi độ bền rộng.
5.2 Tính chất vật liệu
- Cấu trúc tinh thể: Titan có cấu trúc lục giác khép kín (HCP), hạn chế mặt trượt và tăng độ bền trong khi giảm độ dẻo. Thép không gỉ thể hiện nhiều cấu trúc khác nhau (FCC, BCC, BCT) ảnh hưởng đến độ bền và tính dễ uốn.
- Kiểm soát kích thước hạt: Cả hai vật liệu đều được hưởng lợi từ quá trình xử lý nhiệt và làm mát có kiểm soát để tăng cường các đặc tính.
- Hợp kim: Titan có thể được sử dụng ở dạng tự nhiên hoặc hợp kim, trong khi thép không gỉ vốn có hợp kim với các nguyên tố như crom, niken và molypden.
5.3 Hiệu suất nhiệt
- Titan vẫn giữ được độ bền ở nhiệt độ cao (lên tới 550°C), và được tăng cường hơn nữa nhờ hợp kim nhôm.
- Thép không gỉ và hợp kim titan có thể được xử lý nhiệt để cải thiện các đặc tính.
5.4 Siêu hợp kim nhiệt độ cao
Cấu trúc đơn tinh thể trong hợp kim chuyên dụng có khả năng chịu nhiệt đặc biệt, thường được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Bảng sau đây so sánh các đặc tính về độ bền của thép và titan, tập trung vào các đặc điểm chính như mật độ, giới hạn chảy khi kéo, độ cứng, độ biến dạng gãy và độ cứng.
| Tài sản | Thép | Titan |
| Tỉ trọng | 7,8–8 g/cm³ | 4,51 g/cm³ |
| Độ bền kéo đứt | 350 megapascal | 140 megapascal |
| Độ cứng | 200 gigapascal | 116 gigapascal |
| Căng thẳng gãy xương | 15% | 54% |
| Độ cứng (thang Brinell) | 121 | 70 |
6.0 Các nguyên tố hợp kim và ảnh hưởng của chúng đến trọng lượng
- Hợp kim titan bao gồm một loạt các tác nhân tạo hợp kim:
- Nhôm trong hợp kim Titan góp phần làm giảm trọng lượng mà không làm giảm độ bền quá mức.
- Vanadi làm tăng tính chất cơ học của hợp kim.
- Người ta thường thêm sắt vào để cải thiện khả năng hàn.
- Titan được thêm vào một số hợp kim thép không gỉ để cải thiện khả năng chống ăn mòn.
6.1 Độ dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn
Cả thép không gỉ và titan đều có độ dẫn nhiệt kém. Độ dẫn nhiệt của titan giảm khi nhiệt độ tăng, trong khi thép không gỉ có độ dẫn nhiệt thấp và tăng nhẹ ở nhiệt độ cao hơn.
6.2 Titan so với thép không gỉ: Lớp oxit và tác động của chúng
- Titan: Tạo thành lớp titanium dioxide (TiO₂) tự phục hồi, có khả năng chống hóa chất và tương thích sinh học tuyệt vời.
- Thép không gỉ: Tạo ra lớp màng oxit crom (Cr₂O₃), có khả năng chống ăn mòn và tự phục hồi trong môi trường giàu oxy.
6.3 Sử dụng và ứng dụng của Titan
Titan và hợp kim của nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp có giá trị cao và các sản phẩm tiêu dùng chuyên dụng, nơi chi phí là yếu tố thứ yếu so với hiệu suất. Bản chất không độc hại, nhẹ và tương thích sinh học của titan mở rộng tính linh hoạt của nó sang các ứng dụng mà độ bền và độ tin cậy là tối quan trọng.
- Hàng không vũ trụ: Độ bền cao, trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và nhiệt độ cao khiến titan trở nên lý tưởng cho động cơ phản lực, khung máy bay, tàu vũ trụ và vệ tinh.
- Thuộc về y học: Tính tương thích sinh học của nó hỗ trợ việc sử dụng trong cấy ghép (khớp, nha khoa), chân tay giả và dụng cụ phẫu thuật, mang lại độ bền và an toàn khi tiếp xúc với mô trong thời gian dài.
- Xử lý hóa học: Khả năng chống ăn mòn đặc biệt trong môi trường hóa chất khắc nghiệt khiến nó phù hợp với bộ trao đổi nhiệt, van và lò phản ứng.
- Quân đội: Độ bền, độ chắc chắn và khả năng chống ăn mòn đảm bảo việc sử dụng trong xe bọc thép, thiết bị hải quân và máy bay.
- Thiết bị thể thao: Tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao có lợi cho xe đạp, gậy đánh golf và vợt, mang lại cả hiệu suất và vẻ ngoài sang trọng.
- Ô tô: Các bộ phận nhẹ và chống ăn mòn như hệ thống ống xả và hệ thống treo giúp tăng cường hiệu suất của xe.
- Dầu khí: Khả năng phục hồi trong môi trường biển và chất lỏng ăn mòn phù hợp với các giàn khoan và thiết bị ngoài khơi.
- Khử muối: Khả năng chống clorua làm cho titan trở nên thiết yếu trong các ứng dụng xử lý nước mặn.
- Chế biến thực phẩm: Tính không độc hại đảm bảo sử dụng an toàn trong các thiết bị dễ bị nhiễm bẩn.
Tài liệu tham khảo: https://jiga.io/articles/titanium-vs-stainless-steel/
