Não se consegue distinguir entre Titânio de grau 1 e titânio de grau 2 só de olhar para eles. Têm o mesmo brilho cinzento-prateado, a mesma densidade (4,51 g/cm³), e a mesma resistência à corrosão na maioria dos locais. No entanto, misturar estes dois graus “Comercialmente Puro” (CP) num desenho de engenharia pode causar uma falha catastrófica. Por exemplo, a utilização incorrecta do Grau 2 pode provocar fissuras durante os processos de estampagem profunda, e a utilização desnecessária do Grau 1 pode causar cedência estrutural sob pressão.
Quando os engenheiros e especialistas em aquisições escolhem entre o Grau 1 (UNS R50250) e o Grau 2 (UNS R50400), normalmente não estão a pensar na “qualidade” da forma habitual. Em vez disso, trata-se de uma escolha estratégica entre maior ductilidade e resistência estrutural moderada.
Este guia vai além das simples fichas de dados para o ajudar a tomar uma decisão real, analisando as diferenças químicas, mecânicas e operacionais entre os tipos, para que possa escolher o mais adequado às suas necessidades.
A diferença crítica: Composição química e pureza
Embora ambas as ligas sejam classificadas como titânio “não ligado”, o Grau 2 não é simplesmente uma versão de “qualidade inferior” do Grau 1. É intencionalmente concebido com níveis ligeiramente mais elevados de elementos intersticiais para obter uma maior resistência.
De acordo com ASTM B265 (Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate), os limites de composição são definidos da seguinte forma:
| Elemento | Grau 1 (UNS R50250) | Grau 2 (UNS R50400) | O impacto |
|---|---|---|---|
| Azoto (N) | Máximo 0,03% | Máximo 0,03% | Contribuição de força menor. |
| Carbono (C) | Máximo 0,08% | Máximo 0,08% | Mantido a um nível baixo para evitar a formação de carbonetos. |
| Hidrogénio (H) | Máximo 0,015% | Máximo 0,015% | Rigorosamente controlado para evitar a fragilização por hidrogénio. |
| Ferro (Fe) | Máximo 0,20% | Máximo 0,30% | O ferro aumenta a resistência, mas reduz ligeiramente a resistência à corrosão. |
| Oxigénio (O) | Máximo 0,18% | Máximo 0,25% | O principal agente de reforço. |
| Titânio (Ti) | Equilíbrio | Equilíbrio | Matriz de base. |
O “botão de oxigénio”: Explicação do reforço intersticial
A diferença mais significativa reside no teor de oxigénio. O teor máximo de oxigénio permitido para o grau 2 (0.25%) é 0,07 pontos percentuais superior ao do grau 1 (0.18%).
Embora esta diferença pareça insignificante, na ciência dos materiais, o oxigénio actua como um elemento de liga intersticial. Os pequenos átomos de oxigénio encaixam nos espaços (interstícios) entre os átomos maiores de titânio na estrutura cristalina hexagonal de empilhamento fechado (HCP). Estes átomos intersticiais impedem o movimento de deslocações dentro da estrutura cristalina.
- Grau 1 (baixo teor de oxigénio): Menos barreiras ao movimento de deslocação, elevada ductilidade e menor resistência.
- Grau 2 (Oxigénio superior): Mais barreiras “fixam” as deslocações , Maior resistência, ductilidade moderada.
Por conseguinte, o Grau 2 obtém o seu estatuto de “cavalo de batalha” não através da adição de metais caros como o vanádio, mas através do controlo cuidadoso da “impureza” do oxigénio para aumentar a resistência à tração sem sacrificar demasiado a maleabilidade.
Recurso técnico: Para uma análise mais aprofundada das especificações padrão, consulte a Documentação oficial ASTM B265 relativamente aos requisitos para tiras, folhas e chapas.
Propriedades mecânicas: Resistência vs. Formabilidade
Ao projetar equipamento de suporte de carga, o compromisso torna-se numérico. O grau 2 oferece geralmente um 30%-40% aumento do limite de elasticidade sobre o grau 1.
Propriedades mecânicas típicas (à temperatura ambiente)
| Imóveis | Grau 1 (mais suave) | Grau 2 (Padrão) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (UTS) | 240 MPa (35 ksi) min | 345 MPa (50 ksi) min |
| Resistência ao escoamento (0.2% Offset) | 170 MPa (25 ksi) min | 275 MPa (40 ksi) min |
| Alongamento | 24% min (frequentemente >30%) | 20% min |
| Dureza (Vickers) | ~120 HV | ~145 HV |
A perspetiva de projeto ASME (Crucial para os recipientes sob pressão)
Se estiver a conceber permutadores de calor ou recipientes sob pressão ao abrigo da Código ASME para caldeiras e vasos de pressão (BPVC), Não se olha apenas para o limite de elasticidade; olha-se para tensão máxima admissível.
É aqui que o Grau 2 se destaca. Uma vez que os seus valores de tensão admissíveis são significativamente mais elevados, os engenheiros podem especificar espessuras de parede mais finas para a mesma pressão nominal.
- Cenário: Um reator químico que funciona a 150°C.
- Grau 1: Requer paredes espessas para suportar a pressão, aumentando o peso e o custo do material.
- Grau 2: Permite paredes mais finas, reduzindo o peso total de titânio necessário.
Conclusão: A não ser que necessite da extrema maleabilidade do Grau 1, o Grau 2 é quase sempre a escolha mais económica para a contenção de pressão devido à sua relação resistência/peso superior nos cálculos do código.
Guia de fabrico: Trabalhar com o material
A escolha entre o Grau 1 e o Grau 2 resume-se frequentemente à forma como a peça será fabricada. A realidade do chão de fábrica pode ser bastante diferente da teoria do gabinete de projeto.
1. Conformação a frio e raio de curvatura
Este é o território do Grau 1. Devido ao seu elevado alongamento e ao seu baixo teor de oxigénio, o Grau 1 possui uma excelente ’capacidade de extração profunda“.”
- Grau 1: Pode ser frequentemente dobrado até um raio de 1T a 1,5T (em que T é a espessura do material) sem fissuras. É o material de eleição para placas de permutadores de calor de placa e estrutura, que sofrem deformações severas.
- Grau 2: Normalmente, requer um raio de curvatura generoso de 2T a 2,5T. Se tentar estiramento profundo do Grau 2 numa forma complexa destinada ao Grau 1, é provável que se verifique “casca de laranja” (rugosidade da superfície) ou fissuração imediata.
2. Maquinação: O fator “Gummy
Contra-intuitivamente, o Grau 1 “mais macio” pode ser mais difícil de maquinar do que o Grau 2. Devido ao facto de o Grau 1 ser tão dúctil, tende a ser “gomoso”. O material não se lasca de forma limpa; em vez disso, mancha e acumula-se na aresta de corte (Built-Up Edge ou BUE).
- Dica de maquinagem: Ao maquinar o Grau 1, utilize ferramentas de carboneto afiadas, ângulos de inclinação positivos elevados e líquido de arrefecimento abundante para evitar a acumulação de calor e a formação de escoriações. O Grau 2 comporta-se ligeiramente mais como o aço inoxidável, oferecendo um melhor controlo das aparas.
3. Soldabilidade
Ambos os tipos são excelentes candidatos à soldadura. Uma vez que são ligas alfa monofásicas, não sofrem dos problemas de fissuração térmica comuns em algumas ligas de aço. No entanto, a proteção contra gases não é negociável. O titânio fundido absorve instantaneamente o oxigénio e o azoto do ar. Sem um suporte de árgon adequado (blindagem), uma soldadura de Grau 1 tornar-se-á frágil e fissurará - transformando-se essencialmente em “Grau 100” devido à contaminação por oxigénio.
Prática crítica de soldadura: Conseguir uma soldadura de titânio de elevada integridade requer mais do que apenas gás de proteção de árgon. Exige:
-
Escudos de arrasto e gás de apoio: Para proteger a poça de fusão e os pontos críticos 400°C+ (750°F+) zona afetada pelo calor da contaminação do ar até arrefecer o suficiente.
-
Limpeza meticulosa: Todas as superfícies, fios de enchimento e ferramentas devem estar livres de óleo, gordura, humidade e impressões digitais. Qualquer resíduo orgânico decompor-se-á no arco, introduzindo hidrogénio (causando porosidade) e carbono (causando fragilização).
-
Árgon de alta pureza: O gás de proteção deve ser de elevada pureza (normalmente 99,998% ou superior) com baixo ponto de orvalho para evitar a introdução de humidade.
Cenários de aplicação: Quando usar qual?
Escolher o grau 1 Quando:
- É necessário um desenho profundo: Fabrico de permutadores de calor de placas, chapas onduladas ou painéis arquitectónicos complexos.
- Revestimento explosivo: Colagem de titânio a placas de aço (a ductilidade ajuda a absorver o choque explosivo).
- Resistência máxima à corrosão: Em ambientes extremamente marginais, o teor de ferro ligeiramente inferior (0,20% vs 0,30%) poderia teoricamente atrasar a corrosão em fendas, embora tal seja raro.
Escolher o grau 2 Quando:
- Fabrico geral: Tubagens, flanges, acessórios e válvulas.
- Recipientes sob pressão: Tanques e reactores em que a conformidade com o código ASME determina a espessura da parede.
- Forro: Revestimento solto de tanques de aço em que o titânio é essencialmente uma barreira à corrosão e não um elemento estrutural.
- A disponibilidade é importante: Precisa que as folhas de tamanho normal sejam entregues amanhã.
Aviso crítico: A armadilha do “Grau 5
Um erro comum cometido por jovens engenheiros é olhar para a resistência do Grau 2 (345 MPa), considerá-la demasiado baixa e saltar imediatamente para Grau 5 (Ti-6Al-4V), que possui uma resistência à tração de cerca de 900 MPa.
Não o faça sem validar o seu processo de moldagem.
O grau 5 é uma liga alfa-beta. É incrivelmente forte, mas possui mínima conformabilidade a frio. A dobragem a frio de tubos ou chapas de Grau 5 é difícil, e tentar fazê-lo fará com que se partam. Se necessitar de uma resistência superior à do Grau 2, mas tiver de manter a conformabilidade a frio, considere Grau 9 (Ti-3Al-2,5V) ou simplesmente aumentar a espessura da parede do grau 2.
Guia de aquisição: Custo e disponibilidade
O ‘Preços orientados para o volume’ confunde frequentemente os compradores. Logicamente, poder-se-ia assumir que o Grau 1 é mais caro porque é ‘mais puro’. Embora o Grau 1 tenha um preço mais elevado devido a controlos químicos mais rigorosos, a diferença de preço é muitas vezes motivada por economias de escala.
O grau 2 é o “cavalo de batalha” industrial.” Representa a grande maioria do mercado de titânio para PC.
- Estoque: Os centros de assistência técnica armazenam toneladas de folhas e placas de Grau 2. O Grau 1 é frequentemente um item de “encomenda especial” ou armazenado em quantidades limitadas.
- Preço: Devido ao elevado volume de negócios, o grau 2 é frequentemente mais barato por quilograma do que o grau 1.
- Estratégia: Se o seu projeto permitir o Grau 2, especifique-o. É provável que obtenha melhores preços e prazos de entrega mais curtos. Se especificar o Grau 1 para uma flange standard, poderá pagar um prémio e esperar semanas pela produção.
Resumo: Matriz de seleção rápida
| Fator de decisão | Escolha o grau 1 (UNS R50250) | Escolha o grau 2 (UNS R50400) |
|---|---|---|
| Processo de formação | Estiramento profundo, flexão severa (>50% de estiramento). | Laminagem, dobragem simples, fabrico normalizado. |
| Condutor de projeto | Formabilidade / Ductilidade. | Resistência / Classificação de pressão ASME. |
| Raio de curvatura | Curvas apertadas (1T - 1,5T). | Curvas generosas (2T - 2,5T). |
| Disponibilidade | Moderado / Baixo (artigos de especialidade). | Elevada (a norma do sector). |
| Corrosão | Excelente. | Excelente (praticamente idêntico). |
Perguntas frequentes (FAQ)
P: O titânio de grau 2 é magnético?
R: Não. Tanto o titânio de grau 1 como o de grau 2 não são magnéticos. Isto torna-os ideais para equipamentos de imagiologia médica (MRI) e caixas de eletrónica sensível.
P: Posso soldar titânio de grau 1 em titânio de grau 2?
R: Sim, são compatíveis. É possível soldar o Grau 1 ao Grau 2 utilizando um fio de enchimento correspondente (normalmente ERTi-1 ou ERTi-2). A zona de soldadura resultante terá propriedades mecânicas intermédias entre os dois.
P: O titânio de grau 2 enferruja?
R: Não. O titânio não “enferruja” como o ferro. Forma uma película de óxido estável e passiva que o torna imune à corrosão na água do mar, ao cloro húmido e à maioria dos ácidos orgânicos.
P: Porque é que o Grau 2 é mais popular do que o Grau 1?
R: Oferece o equilíbrio “Goldilocks”: suficientemente forte para utilização estrutural (ao contrário do Gr1) mas suficientemente moldável para fabrico (ao contrário do Gr5), combinado com a maior disponibilidade na cadeia de fornecimento.