Spiegazione dei gradi di titanio commercialmente puro, con il grado 1 in primo piano

Il titanio commercialmente puro non è un materiale. Quattro gradi non legati sono definiti dalle stesse specifiche e la differenza tra loro è quasi interamente una questione di quanto ossigeno può contenere il metallo. Comprendere quella singola variabile è sufficiente per selezionarla correttamente.

Perché l'ossigeno è il vero elemento legante

L'ossigeno si dissolve nel reticolo del titanio come elemento interstiziale e lo rinforza sostanzialmente, a scapito della duttilità. L'aumento del limite di ossigeno dallo 0,18% allo 0,40% raddoppia all'incirca la resistenza alla trazione del grado, motivo per cui i quattro gradi non legati formano una scala di resistenza che va dal più morbido e malleabile al più forte e meno malleabile. Il ferro e l'azoto agiscono in una direzione simile e tutti e tre sono limitati individualmente nelle specifiche, ma l'ossigeno è l'elemento che cambia in misura maggiore lungo la scala dei gradi e quello più spesso utilizzato per descrivere i gradi.

I quattro gradi non legati a confronto

Il carbonio è limitato allo 0,08% e l'idrogeno allo 0,015% in tutti e quattro i gradi secondo ASTM B265, la specifica per strisce, fogli e piastre di titanio, con requisiti paralleli in ASTM B338 per tubi e ASTM B348 per barre. La resistenza alla corrosione è essenzialmente la stessa per tutti e quattro nella maggior parte degli ambienti, quindi la scelta del grado viene normalmente effettuata in base alla resistenza e alla formabilità piuttosto che alle prestazioni alla corrosione.

Grado 1 in dettaglio

Il grado 1 è il più morbido e duttile del gruppo. La specifica fissa una resistenza alla trazione minima di 240 MPa e una resistenza allo snervamento minima di 138 MPa con un allungamento minimo del 24% e poiché l'ossigeno è mantenuto allo 0,18% massimo, il metallo si piega, si imbutisce, gira e si espande in una piastra tubiera con meno rischio di fessurazione rispetto a qualsiasi altro grado. Quando un componente necessita di un raggio di curvatura stretto, di una forma profonda o di un giunto di tubo laminato che deve essere sigillato, il Grado 1 offre al produttore il massimo spazio di lavoro.

I limiti sono altrettanto chiari. Ha la resistenza più bassa delle quattro, quindi è la scelta sbagliata per un elemento strutturale caricato in cui il Grado 2 o Grado 4 consentirebbe una sezione più sottile. È anche il grado la cui resistenza varia maggiormente con una piccola variazione di ossigeno, quindi ordinare il limite inferiore dell'intervallo di ossigeno è una decisione deliberata sulle specifiche piuttosto che un'impostazione predefinita.

Dove vince il grado 1

Il grado 1 è selezionato per apparecchiature di trattamento chimico che gestiscono cloruri e acidi ossidanti, sistemi di desalinizzazione e acqua di mare, piastre scambiatrici a piastre e telai, anodi e catodi in impianti elettrochimici, superfici a contatto con alimenti e prodotti farmaceutici dove è richiesta una superficie non-tossica e facilmente pulibile e impianti e strumenti medici dove la biocompatibilità e la formabilità sono entrambe importanti. La sua resistenza all'acqua di mare, ai cloruri e a un'ampia gamma di sostanze chimiche è la ragione per cui appare nei componenti marini e di desalinizzazione, e la sua mancanza di risposta magnetica è utile negli strumenti e nelle apparecchiature in cui l'interferenza magnetica costituirebbe un problema.

Quando salire la scala

Il passaggio dal Grado 1 al Grado 2 è il passaggio normale quando è necessario un modesto aumento della resistenza senza rinunciare a molta formabilità, e il Grado 2 è il cavallo di battaglia per uso generale della famiglia dei non legati. Il Grado 3 viene utilizzato laddove la resistenza del Grado 2 non è sufficiente nella sezione consentita. Il grado 4, con ossigeno fino allo 0,40%, offre la resistenza più elevata tra i gradi non legati e viene utilizzato per elementi di fissaggio, parti di valvole e componenti strutturali per carichi moderati, al costo di una duttilità ridotta e di una maggiore difficoltà di formatura. Laddove è necessaria una maggiore resistenza con un peso inferiore, subentra il Grado 5 legato, e laddove la corrosione interstiziale nei cloruri caldi è il limite, i gradi stabilizzati al palladio sono la risposta.

Note di fabbricazione

Il titanio si indurisce anziché assottigliarsi localmente, quindi le operazioni di formatura beneficiano di raggi di curvatura generosi e della pianificazione del numero di fasi di formatura anziché fare affidamento su un'unica grande deformazione. Tutte le saldature e i tagli termici devono essere protetti con gas inerte finché il metallo non si raffredda al di sotto di circa 400 gradi, poiché il titanio assorbe facilmente ossigeno e azoto quando è caldo. La lavorazione richiede utensili affilati, bassa velocità di taglio e refrigerante efficace, poiché il titanio conduce male il calore e il tagliente assorbe il calore anziché il truciolo. Il decapaggio dopo la formatura o la saldatura rimuove l'ossido superficiale e qualsiasi contaminazione di ferro e deve essere seguito da un accurato risciacquo per evitare di lasciare residui che potrebbero successivamente favorire l'assorbimento di idrogeno.

Domande frequenti

Q:Qual è la differenza tra titanio di grado 1 e grado 2?
R: Contenuto di ossigeno. Il Grado 1 consente uno 0,18% massimo contro lo 0,25% del Grado 2, che rende il Grado 1 più duttile e formabile e il Grado 2 più forte, con resistenze a trazione minime rispettivamente di 240 MPa e 345 MPa.

Q:Perché il Grado 1 è descritto come commercialmente puro se contiene ossigeno?
R: Non contiene alcuna aggiunta deliberata di lega. L'ossigeno è un'impurità interstiziale controllata entro un limite specifico ed è tale limite che stabilisce la resistenza di ciascun tipo non legato.

Q:Il Grado 1 ha una migliore resistenza alla corrosione rispetto al Grado 2?
R: Sono effettivamente equivalenti nella maggior parte degli ambienti perché entrambi si basano sullo stesso film di ossido passivo. La scelta tra i due è normalmente guidata dalla formabilità e dalla resistenza piuttosto che dalle prestazioni alla corrosione.

Q:Quali sono gli usi tipici del titanio di grado 1?
R: Apparecchiature per il trattamento chimico, sistemi di desalinizzazione e acqua di mare, anodi e catodi elettrochimici, apparecchiature per il contatto con alimenti e prodotti farmaceutici e impianti e strumenti medici in cui la formabilità e la biocompatibilità sono importanti.

Q:In cosa differisce il Grado 4 dai gradi inferiori?
R: Il grado 4 consente fino allo 0,40% di ossigeno e 0,50% di ferro, fornendo una resistenza alla trazione minima di 550 MPa e un carico di snervamento di 483 MPa, che è il più alto dei gradi non legati ma presenta un allungamento minimo del 15% e una formabilità ridotta.