Titan finns i flera kvaliteter med olika kemisk sammansättning och mekaniska egenskaper. Grade 2 är kommersiellt rent titan med mycket god korrosionsbeständighet och god formbarhet. Grade 5 är en legering som erbjuder betydligt högre hållfasthet och används i mer mekaniskt krävande komponenter.
Vilket alternativ som passar bäst beror därför på applikationen. När beständighet i kemiska miljöer, svetsbarhet och möjlighet till formning prioriteras är den kommersiellt rena kvaliteten ofta lämplig. Den legerade kvaliteten kan vara ett bättre val när hög hållfasthet och ett bra förhållande mellan styrka och vikt är avgörande.
Invex levererar titan och titanlegeringar för industriella tillämpningar från lager och tillverkande verk.
Kort jämförelse av de två titankvaliteterna
Den grundläggande skillnaden är att det ena alternativet är kommersiellt rent, medan det andra är legerat med aluminium och vanadin.
| Egenskap | Grade 2 | Grade 5 |
|---|---|---|
| Materialtyp | Kommersiellt rent | Legerat |
| Internationell beteckning | CP Titanium | Ti-6Al-4V |
| Densitet | Cirka 4,5 g/cm³ | Cirka 4,4 g/cm³ |
| Hållfasthet | Måttlig | Mycket hög |
| Formbarhet | God | Mer begränsad |
| Duktilitet | Högre | Lägre |
| Svetsbarhet | God | God med rätt metod |
| Korrosionsbeständighet | Mycket god i många miljöer | God till mycket god i många miljöer |
| Vanliga tillämpningar | Process, kemi och marin verksamhet | Flyg, försvar och belastade delar |
Jämförelsen är övergripande. Egenskaperna påverkas bland annat av produktform, dimension, värmebehandling, leveranstillstånd och tillämplig standard.
Det kommersiellt rena alternativet
Den kommersiellt rena titankvaliteten består huvudsakligen av titan men innehåller kontrollerade mängder av bland annat syre, järn, kol, kväve och väte. På engelska används benämningen Titanium Grade 2.
Materialet erbjuder en användbar balans mellan styrka och duktilitet. Det är starkare än Grade 1 men behåller goda möjligheter till bockning, pressning och annan formning. Det är därför den mest använda kommersiellt rena titankvaliteten.
När ytan kommer i kontakt med syre bildas ett tunt och stabilt oxidskikt. Detta ger mycket god beständighet mot havsvatten, marina atmosfärer och flera kemiska processmedier.
Vanliga användningsområden är:
- kemisk processutrustning
- rör och rörsystem
- tankar och behållare
- pumpar och ventiler
- värmeväxlare
- kylsystem
- avsaltningsanläggningar
- arkitektoniska detaljer
- medicinska produkter enligt relevant standard
Läs mer om egenskaper och användningsområden för Titan Grade 2.
Den legerade kvaliteten Ti-6Al-4V
Det legerade alternativet innehåller ungefär 6 procent aluminium och 4 procent vanadin och betecknas därför Ti-6Al-4V. Det är en alfa-beta-legering och en av de mest använda legeringarna inom titanfamiljen.
Materialet kombinerar låg vikt med hög hållfasthet, god utmattningsprestanda och korrosionsbeständighet. Det används ofta i konstruktioner där komponenterna utsätts för stora mekaniska belastningar.
Vanliga applikationer är:
- strukturella delar inom flyg- och rymdindustrin
- delar till jet- och raketmotorer
- högt belastade infästningar
- tryckkärl
- försvarsprodukter
- fordonsdelar
- sportutrustning
- medicintekniska produkter enligt rätt standard
Egenskaperna påverkas av materialets mikrostruktur, värmebehandling och tidigare bearbetning. Därför måste specifikationen anpassas efter den aktuella produkten och konstruktionen.
Jämförelse av mekaniska egenskaper
Den största skillnaden mellan alternativen är hållfastheten. Följande värden är vägledande för glödgat material enligt vanligt förekommande ASTM-specifikationer:
| Mekanisk egenskap | Kommersiellt rent | Ti-6Al-4V |
|---|---|---|
| Minsta brottgräns, Rm | Cirka 345 MPa | Cirka 895 MPa |
| Minsta sträckgräns, Rp0,2 | Cirka 275 MPa | Cirka 828 MPa |
| Minsta förlängning | Cirka 20 % | Cirka 10 % |
| Elasticitetsmodul | Cirka 105–120 GPa | Cirka 107–122 GPa |
Det legerade materialet har mer än dubbelt så hög draghållfasthet. Det kommersiellt rena alternativet har däremot högre förlängning och är lättare att forma.
Värdena ska inte användas direkt som konstruktionsunderlag. Kraven kan variera mellan olika produktformer, dimensioner och leveranstillstånd. Aktuell materialspecifikation och materialintyg ska alltid kontrolleras.
Vilket alternativ har bäst korrosionsbeständighet?
Båda materialen bildar ett tunt oxidskikt som skyddar den underliggande metallen mot korrosion. Deras lämplighet beror emellertid på den aktuella miljön.
Det kommersiellt rena alternativet väljs ofta för kemiska och marina tillämpningar där korrosionsbeständighet är ett huvudkrav. Exempel är processkärl, rörsystem, kylsystem och utrustning som kommer i kontakt med havsvatten.
Ti-6Al-4V har också god beständighet mot allmän korrosion, bland annat i havsvatten. Legeringen väljs dock ofta främst för sin höga styrka och används när både mekanisk prestanda och korrosionsmotstånd behövs.
Vid materialvalet bör man bedöma:
- kemisk sammansättning och koncentration
- temperatur och tryck
- syretillgång
- flödeshastighet
- förekomst av spalter och avlagringar
- kontakt med andra metaller
- konstruktionens förväntade livslängd
Ingen kvalitet är motståndskraftig mot alla kemikalier. I vissa reducerande syror kan exempelvis Grade 7 vara mer lämplig. Den innehåller palladium, vilket förbättrar beständigheten i särskilt krävande kemiska miljöer.
Skillnader i formning och duktilitet
Kommersiellt rent titan är vanligtvis det bättre valet när materialet ska formas kraftigt. Den högre duktiliteten gör det lämpligt för exempelvis djupdragning, bockning och pressning.
Det legerade alternativet kan också formas, men den större hållfastheten gör processen mer krävande. Högre krafter, vidare bockningsradier eller varmformning kan behövas beroende på dimension och geometri.
Om en detalj ska genomgå omfattande plastisk deformation är den kommersiellt rena kvaliteten därför ofta enklare att arbeta med. När komponentens huvudsakliga uppgift är att bära hög belastning kan Ti-6Al-4V vara lämpligare.
Svetsning av materialen
Båda alternativen kan svetsas med goda resultat när rätt metod och rena arbetsförhållanden används. TIG-svetsning är vanligt, men även andra processer kan vara lämpliga.
Vid förhöjd temperatur reagerar titan lätt med syre, kväve och väte. Svetsen och det uppvärmda området måste därför skyddas med inert gas tills temperaturen har sjunkit till en säker nivå.
Viktiga krav är:
- noggrant rengjorda fogytor
- rena verktyg och tillsatsmaterial
- effektivt skydd med exempelvis argon
- skydd även på svetsens rotsida
- kontroll av eventuell missfärgning
- en svetsprocedur anpassad till material och produktform
Den legerade kvaliteten kan kräva noggrannare kontroll av värmetillförsel och mikrostruktur, särskilt när svetsförbandet ska utsättas för höga mekaniska belastningar.
Skillnader vid bearbetning
Bearbetning av titan kräver anpassade skärdata, stabil uppspänning och effektiv kylning. Materialets relativt låga värmeledningsförmåga gör att en stor del av värmen koncentreras nära skäreggen.
Det kommersiellt rena alternativet har lägre hållfasthet men kan ändå orsaka problem genom värmeutveckling och tendens att fästa vid verktyget.
Ti-6Al-4V är generellt mer krävande att bearbeta eftersom legeringen är starkare. För hög skärhastighet eller otillräcklig kylning kan orsaka snabbt verktygsslitage och försämrad ytkvalitet.
Vid skärande bearbetning är det viktigt med:
- skarpa och styva verktyg
- stabil uppspänning
- måttlig skärhastighet
- jämn matning
- effektiv kylning
- begränsad gnidning mellan verktyg och arbetsstycke
Invex kan tillsammans med sina samarbetspartner hjälpa till med kapning, vattenskärning och andra materialanpassade tjänster.
Vilket material passar för flygindustrin?
Inom flyg- och rymdindustrin används Ti-6Al-4V ofta i strukturella delar, infästningar och motorrelaterade komponenter. Det goda förhållandet mellan styrka och vikt gör det möjligt att minska vikten utan att motsvarande mekaniska prestanda behöver förloras.
Kommersiellt rena kvaliteter kan också förekomma inom flygindustrin, men används då i applikationer med lägre mekanisk belastning eller särskilda krav på formning och korrosionsmotstånd.
Exakt kvalitet och leveranstillstånd måste följa de standarder och godkännanden som gäller för den aktuella komponenten.
Grade 23 för medicinska implantat
Grade 23 är en variant av Ti-6Al-4V med lägre halter av interstitiella ämnen, framför allt syre. Materialet benämns även Ti-6Al-4V ELI, där ELI står för Extra Low Interstitial.
Den anpassade sammansättningen kan ge bättre duktilitet och brottseghet. Materialet används därför ofta i medicinska implantat och andra applikationer med höga krav på brottsäkerhet.
För kirurgiska implantat används bland annat ASTM F136. Det räcker inte att materialet har rätt allmän beteckning. Det måste också uppfylla kraven på tillverkning, dokumentation och spårbarhet.
Kostnad och totalekonomi
Den legerade kvaliteten kan vara dyrare att köpa och bearbeta eftersom dess högre hållfasthet ställer större krav på verktyg och tillverkningsprocess. Priset varierar dock beroende på produktform, dimension, kvantitet, standard och marknadsläge.
Den lägsta inköpskostnaden behöver inte ge bäst totalekonomi. Bedömningen bör även omfatta:
- materialåtgång
- konstruktionsvikt
- bearbetningstid
- verktygsslitage
- svetsning och efterarbete
- underhåll
- risk för korrosion
- förväntad livslängd
Ett höghållfast material kan möjliggöra mindre dimensioner och lägre vikt. Det kommersiellt rena alternativet kan i andra fall ge enklare tillverkning och bättre ekonomi i en viss processmiljö.
Så väljer du rätt titankvalitet
Det kommersiellt rena alternativet är ofta rätt när:
- mycket god korrosionsbeständighet prioriteras
- konstruktionen ska bockas eller formas
- god svetsbarhet behövs
- den mekaniska belastningen är måttlig
- materialet ska användas i en process- eller havsvattenmiljö
Det legerade alternativet är ofta rätt när:
- konstruktionen utsätts för hög mekanisk belastning
- låg vikt är avgörande
- hög draghållfasthet krävs
- komponenten utsätts för utmattning
- tillämpningen finns inom flyg, försvar eller annan krävande industri
Rätt titankvalitet ska alltid väljas utifrån applikationens samlade krav. Produktform, dimension, temperatur, kemisk miljö, standard och dokumentation behöver fastställas innan materialet beställs.
Vanliga frågor om titan
Vilket alternativ är starkast?
Ti-6Al-4V är betydligt starkare och har mer än dubbelt så hög minsta draghållfasthet som det kommersiellt rena alternativet enligt vanligt förekommande specifikationer.
Vilket material är lättast att forma?
Det kommersiellt rena materialet har bättre formbarhet och är därför ofta enklare att bocka, pressa och forma till komplicerade geometrier.
Vilket alternativ passar bäst i havsvatten?
Båda har god beständighet i havsvatten. Den kommersiellt rena kvaliteten används ofta när korrosionsmotståndet är huvudkravet. Den legerade varianten kan väljas när konstruktionen dessutom kräver hög hållfasthet.
Är det starkaste materialet alltid bäst?
Nej. Högre hållfasthet innebär inte automatiskt att materialet passar bäst. Det kommersiellt rena alternativet kan vara lämpligare när formning, svetsning och beständighet i en processmiljö prioriteras.
Kan materialen svetsas?
Ja, båda kan svetsas. Noggrann rengöring och ett fullgott skydd med inert gas är avgörande för att undvika sprödhet och andra försämringar.
Kan den kommersiellt rena kvaliteten ersätta den legerade?
Endast om den lägre hållfastheten är tillräcklig för konstruktionen. Ett materialbyte ska föregås av en teknisk bedömning och, när det krävs, nya hållfasthetsberäkningar.
Få hjälp att välja rätt kvalitet
Valet avgörs framför allt av balansen mellan korrosionsbeständighet, formning, hållfasthet och krav på tillverkning. Kommersiellt rent titan passar många kemiska och marina miljöer, medan Ti-6Al-4V är utvecklat för mer mekaniskt krävande komponenter.
Invex levererar flera kvaliteter och produktformer i titan och kan hjälpa till att matcha materialet mot applikation, standard och dokumentationskrav.
