Non è possibile distinguere tra Titanio grado 1 e titanio grado 2 solo guardandoli. Hanno la stessa lucentezza grigio-argento, la stessa densità (4,51 g/cm³) e la stessa resistenza alla corrosione nella maggior parte dei luoghi. Tuttavia, confondere questi due gradi “commercialmente puri” (CP) su un disegno tecnico può causare guasti catastrofici. Ad esempio, l'uso errato del grado 2 può causare cricche durante i processi di imbutitura profonda, mentre l'uso non necessario del grado 1 può causare cedimenti strutturali sotto pressione.
Quando ingegneri ed esperti di approvvigionamento scelgono tra il grado 1 (UNS R50250) e il grado 2 (UNS R50400), di solito non pensano alla “qualità” nel modo consueto. Si tratta invece di una scelta strategica tra il grado 1 e il grado 2. maggiore duttilità e moderata resistenza strutturale.
Questa guida va oltre le semplici schede tecniche per aiutarvi a prendere una decisione reale, analizzando le differenze chimiche, meccaniche e operative tra le varie qualità, in modo da poter scegliere quella giusta per le vostre esigenze.
La differenza critica: Composizione chimica e purezza
Sebbene entrambe le leghe siano classificate come titanio “non legato”, il grado 2 non è semplicemente una versione “di qualità inferiore” del grado 1. È intenzionalmente progettato con livelli leggermente più elevati di elementi interstiziali per ottenere una maggiore resistenza. È stato intenzionalmente progettato con livelli leggermente superiori di elementi interstiziali per ottenere una maggiore resistenza.
Secondo ASTM B265 (Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate), i limiti di composizione sono definiti come segue:
| Elemento | Grado 1 (UNS R50250) | Grado 2 (UNS R50400) | L'impatto |
|---|---|---|---|
| Azoto (N) | Max 0,03% | Max 0,03% | Contributo di forza minore. |
| Carbonio (C) | Max 0,08% | Max 0,08% | Mantenuto basso per evitare la formazione di carburo. |
| Idrogeno (H) | Max 0,015% | Max 0,015% | Rigorosamente controllato per evitare l'infragilimento da idrogeno. |
| Ferro (Fe) | Max 0,20% | Max 0,30% | Il ferro aggiunge forza ma riduce leggermente la resistenza alla corrosione. |
| Ossigeno (O) | Max 0,18% | Max 0,25% | L'agente rinforzante primario. |
| Titanio (Ti) | Equilibrio | Equilibrio | Matrice di base. |
La “manopola dell'ossigeno”: Il rafforzamento interstiziale spiegato
La differenza più significativa sta nel contenuto di ossigeno. Il contenuto massimo di ossigeno consentito per il grado 2 (0.25%) è 0,07 punti percentuali superiore a quello del grado 1 (0.18%).
Sebbene questa differenza sembri trascurabile, nella scienza dei materiali, l'ossigeno agisce come un elemento di lega interstiziale. I piccoli atomi di ossigeno si inseriscono negli spazi (interstizi) tra gli atomi di titanio più grandi nel reticolo cristallino esagonale a struttura stretta (HCP). Questi atomi interstiziali impediscono il movimento delle dislocazioni all'interno della struttura cristallina.
- Grado 1 (basso livello di ossigeno): Meno barriere al movimento delle dislocazioni, elevata duttilità e minore resistenza.
- Grado 2 (Ossigeno superiore): Altre barriere “bloccano” le dislocazioni, , Resistenza elevata, duttilità moderata.
Pertanto, il grado 2 ottiene il suo status di “cavallo di battaglia” non aggiungendo metalli costosi come il vanadio, ma controllando attentamente l“”impurità" dell'ossigeno per aumentare la resistenza alla trazione senza sacrificare troppo la formabilità.
Risorsa tecnica: Per un'analisi più approfondita delle specifiche standard, consultare il documento Documentazione ufficiale ASTM B265 per quanto riguarda i requisiti di nastri, lamiere e lastre.
Proprietà meccaniche: Resistenza e formabilità
Quando si progettano attrezzature portanti, il compromesso diventa numerico. Il grado 2 offre generalmente un 30%-40% aumento della resistenza allo snervamento oltre il grado 1.
Proprietà meccaniche tipiche (a temperatura ambiente)
| Proprietà | Grado 1 (il più morbido) | Grado 2 (Standard) |
|---|---|---|
| Resistenza alla trazione (UTS) | 240 MPa (35 ksi) min | 345 MPa (50 ksi) min |
| Resistenza allo snervamento (offset 0,2%) | 170 MPa (25 ksi) min | 275 MPa (40 ksi) min |
| Allungamento | 24% min (spesso >30%) | 20% min |
| Durezza (Vickers) | ~120 HV | ~145 HV |
La prospettiva di progettazione ASME (cruciale per i recipienti a pressione)
Se si progettano scambiatori di calore o recipienti a pressione in base alle norme di Codice ASME per caldaie e recipienti a pressione (BPVC), non ci si limita a guardare il carico di snervamento, ma si guarda anche a sollecitazione massima consentita.
È qui che il grado 2 si distingue. Poiché i suoi valori di sollecitazione ammissibile sono significativamente più elevati, gli ingegneri possono specificare spessori di parete più sottili per la stessa pressione nominale.
- Scenario: Un reattore chimico funzionante a 150°C.
- Grado 1: Richiede pareti spesse per gestire la pressione, aumentando il peso e il costo del materiale.
- Grado 2: Consente di ottenere pareti più sottili, riducendo il peso totale del titanio necessario.
Da qui, il risultato: A meno che non sia necessaria l'estrema formabilità del grado 1, il grado 2 è quasi sempre la scelta più economica per il contenimento della pressione, grazie al suo superiore rapporto resistenza/peso nei calcoli del codice.
Guida alla fabbricazione: Lavorare con il materiale
La scelta tra grado 1 e grado 2 si riduce spesso al modo in cui il pezzo verrà realizzato. La realtà dell'officina può essere molto diversa dalla teoria dell'ufficio progettazione.
1. Raggio di curvatura e formatura a freddo
Questo è il territorio del Grado 1. Grazie all'elevato allungamento e al basso contenuto di ossigeno, il grado 1 possiede un'eccellente ’attitudine alla stiratura profonda“.”
- Grado 1: Spesso può essere piegato a un raggio di Da 1T a 1,5T (dove T è lo spessore del materiale) senza incrinature. È il materiale preferito per le piastre degli scambiatori di calore a piastre e a telaio, che subiscono forti deformazioni.
- Grado 2: In genere richiede un raggio di curvatura generoso, pari a Da 2T a 2,5T. Se si cerca di imbutire il grado 2 in una forma complessa destinata al grado 1, è probabile che si verifichi una “buccia d'arancia” (irruvidimento della superficie) o una fessurazione immediata.
2. Lavorazione: Il fattore “gommoso
Controintuitivamente, il Grado 1, più “morbido”, può essere più difficile da lavorare rispetto al Grado 2. Poiché il Grado 1 è così duttile, tende ad essere “gommoso”. Il materiale non viene asportato in modo netto, ma si deposita e si accumula sul tagliente (Built-Up Edge o BUE).
- Suggerimento per la lavorazione: Quando si lavora il grado 1, utilizzare utensili in metallo duro affilati, angoli di spoglia positivi elevati e abbondante refrigerante per evitare l'accumulo di calore e la formazione di galla. Il grado 2 si comporta in modo leggermente più simile all'acciaio inossidabile, offrendo un migliore controllo dei trucioli.
3. Saldabilità
Entrambi i gradi sono ottimi candidati per la saldatura. Essendo leghe alfa monofase, non soffrono dei problemi di criccatura termica comuni ad alcune leghe di acciaio. Tuttavia, La schermatura dei gas non è negoziabile. Il titanio fuso assorbe istantaneamente ossigeno e azoto dall'aria. Senza un adeguato supporto di argon (schermatura), una saldatura di grado 1 diventerà fragile e si incrinerà, trasformandosi essenzialmente in “grado 100” a causa della contaminazione da ossigeno.
Pratica critica della saldatura: Per ottenere una saldatura del titanio ad alta integrità non basta il gas di protezione argon. Richiede:
-
Scudi di trazione e gas di supporto: Per proteggere il bagno di saldatura fuso e le parti critiche della saldatura. 400°C+ (750°F+) zona interessata al calore dalla contaminazione dell'aria finché non si raffredda a sufficienza.
-
Pulizia meticolosa: Tutte le superfici, i fili di apporto e gli utensili devono essere privi di olio, grasso, umidità e impronte digitali. Qualsiasi residuo organico si decompone nell'arco, introducendo idrogeno (che causa porosità) e carbonio (che causa infragilimento).
-
Argon di elevata purezza: Il gas di schermatura deve essere di elevata purezza (in genere 99,998% o superiore) con un basso punto di rugiada per evitare l'introduzione di umidità.
Scenari applicativi: Quando usare Which?
Scegliere il grado 1 Quando:
- È necessario un disegno profondo: Produzione di scambiatori di calore a piastre, lastre ondulate o pannelli architettonici complessi.
- Rivestimento esplosivo: Incollare il titanio alle piastre d'acciaio (la duttilità aiuta ad assorbire lo shock esplosivo).
- Massima resistenza alla corrosione: In ambienti estremamente marginali, il contenuto di ferro leggermente inferiore (0,20% contro 0,30%) potrebbe teoricamente ritardare la corrosione interstiziale, anche se ciò è raro.
Scegliere il grado 2 Quando:
- Fabbricazione generale: Tubazioni, flange, raccordi e valvole.
- Serbatoi a pressione: Serbatoi e reattori in cui la conformità al codice ASME impone lo spessore delle pareti.
- Fodera: Rivestimento sfuso di serbatoi in acciaio in cui il titanio è principalmente una barriera contro la corrosione, non un elemento strutturale.
- La disponibilità è importante: Avete bisogno di fogli di dimensioni standard da consegnare domani.
Avviso critico: La trappola del “grado 5
Un errore comune degli ingegneri alle prime armi è quello di considerare la resistenza del grado 2 (345 MPa), trovarla troppo bassa e passare immediatamente al grado 2 (345 MPa). Grado 5 (Ti-6Al-4V), che vanta una resistenza alla trazione di quasi 900 MPa.
Non fate questa operazione senza aver convalidato il vostro processo di formatura.
Il grado 5 è una lega alfa-beta. È incredibilmente forte, ma possiede minima formabilità a freddo. La piegatura a freddo di tubi o lamiere di grado 5 è difficile e il tentativo di farlo provoca la rottura. Se avete bisogno di una resistenza superiore a quella del grado 2, ma dovete mantenere la formabilità a freddo, prendete in considerazione Grado 9 (Ti-3Al-2,5V) o semplicemente aumentare lo spessore della parete del grado 2.
Guida all'approvvigionamento: Costo e disponibilità
Il ‘Prezzi basati sui volumi’ spesso confonde gli acquirenti. A rigor di logica, si potrebbe pensare che il grado 1 sia più costoso perché più ‘puro’. Sebbene il Grado 1 abbia un prezzo superiore a causa dei controlli chimici più severi, la differenza di prezzo è spesso determinata da economie di scala.
Il grado 2 è il “cavallo di battaglia” industriale.” Rappresenta la stragrande maggioranza del mercato del titanio CP.
- Stock: I centri di assistenza dispongono di tonnellate di lamiere e lastre di grado 2. Il grado 1 è spesso un articolo “su ordinazione” o disponibile in quantità limitate.
- Prezzo: A causa dell'elevata rotazione dei volumi, il Grado 2 è spesso più economico al chilogrammo rispetto al Grado 1.
- Strategia: Se il vostro progetto prevede il grado 2, specificatelo. Probabilmente vi assicurerete prezzi migliori e tempi di consegna più brevi. Se specificate il grado 1 per una flangia standard, potreste pagare un sovrapprezzo e attendere settimane per la produzione.
Sommario: Matrice di selezione rapida
| Fattore decisionale | Scegliere il grado 1 (UNS R50250) | Scegliere il grado 2 (UNS R50400) |
|---|---|---|
| Processo di formatura | Trafilatura profonda, piegatura forte (tratto >50%). | Laminazione, piegatura semplice, fabbricazione standard. |
| Design Driver | Formabilità / Duttilità. | Resistenza / Pressione nominale ASME. |
| Raggio di curvatura | Curve strette (1T - 1,5T). | Curve generose (2T - 2,5T). |
| Disponibilità | Moderato / Basso (articoli speciali). | Alto (lo standard del settore). |
| Corrosione | Eccellente. | Eccellente (praticamente identico). |
Domande frequenti (FAQ)
D: Il titanio di grado 2 è magnetico?
R: No. Sia il titanio di grado 1 che quello di grado 2 sono amagnetici. Questo li rende ideali per le apparecchiature di imaging medico (MRI) e per l'alloggiamento di componenti elettronici sensibili.
D: Posso saldare il titanio di grado 1 a quello di grado 2?
R: Sì, sono compatibili. È possibile saldare il grado 1 al grado 2 utilizzando un filo d'apporto corrispondente (di solito ERTi-1 o ERTi-2). La zona di saldatura risultante avrà proprietà meccaniche intermedie tra i due.
D: Il titanio di grado 2 si arrugginisce?
R: No. Il titanio non “arrugginisce” come il ferro. Forma una pellicola di ossido stabile e passiva che lo rende immune alla corrosione dell'acqua di mare, del cloro umido e della maggior parte degli acidi organici.
D: Perché il grado 2 è più popolare del grado 1?
R: Offre l'equilibrio “Goldilocks”: abbastanza forte per l'uso strutturale (a differenza del Gr1) ma sufficientemente plasmabile per la fabbricazione (a differenza del Gr5), combinato con la massima disponibilità nella catena di fornitura.