Ja. Titan ist ein leitfähiges Metall, jedoch ein schlechtes. Technisch reines Grade 2 hat bei Raumtemperatur einen spezifischen elektrischen Widerstand von 56 Mikroohm-Zentimeter, was etwa 3 Prozent der Leitfähigkeit von geglühtem Kupfer entspricht. Die Streuung hinter dieser Zahl ist wichtiger als die Zahl selbst: Grade 5 liegt bei 171 und damit etwa dreimal höher im Widerstand als Grade 2, sodass die Antwort auf die Frage, ob Titan leitet, davon abhängt, welches Titan auf der Zeichnung steht.
Spezifischer Widerstand und Wärmeleitfähigkeit, Grade für Grade
Die nachstehenden Werte sind die Raumtemperaturangaben aus dem von der RMI Titanium Company veröffentlichten Titanlegierungs-Leitfaden (Januar 2000), entnommen aus den gradebezogenen Datenblättern einer einzigen Veröffentlichung, sodass die Grade auf derselben Grundlage stehen. Die Spalte zur Leitfähigkeit ist aus dem spezifischen Widerstand gegenüber dem International Annealed Copper Standard berechnet, in dem 100 Prozent IACS als spezifischer Widerstand von 1,7241 Mikroohm-Zentimeter bei 20 Grad C definiert sind. Die angegebenen UNS-Nummern dienen nur zur Querreferenz. Grade 23 erscheint hier als R56407; R56401 ist die Nummer, die ASTM F136 für die chirurgische Implantatform derselben Legierung führt.
| Güte | UNS | Spezifischer elektrischer Widerstand (microhm-cm) | Ungefähr in Prozent IACS | Wärmeleitfähigkeit (W/m·°C) |
|---|---|---|---|---|
| Grade 1 | R50250 | 54 | 3.2 | 20.8 |
| Grade 2 | R50400 | 56 | 3.1 | 20.8 |
| Grade 3 | R50550 | 56 | 3.1 | 19.7 |
| Grade 4 | R50700 | 60 | 2.9 | 17.3 |
| Grade 7 | R52400 | 56 | 3.1 | 20.8 |
| Grade 12 | R53400 | 52 | 3.3 | 19 |
| Grade 9 | R56320 | 126 | 1.4 | 8.3 |
| Grade 23 | R56407 | 165 | 1.0 | 7.3 |
| Grade 5 | R56400 | 171 | 1.0 | 6.6 |
Zwei Punkte in dieser Tabelle sind ein zweites Lesen wert. Grade 12, eine Legierung, zu der man wegen ihres Verhaltens in heißer Sole greift, ist der leitfähigste Eintrag der Liste, geringfügig vor dem unlegierten Grade 2. Und die beiden Spalten verlaufen im Großen und Ganzen gleichsinnig: Die Alpha-Beta-Legierungen sind in beiderlei Hinsicht ungünstiger, wobei Grade 5 elektrisch wie thermisch bei etwa einem Drittel von Grade 2 liegt. Die Zuordnung stimmt jedoch nicht Zeile für Zeile genau. Grade 12 hat den niedrigsten spezifischen Widerstand in der Tabelle und eine Wärmeleitfähigkeit geringfügig unter der von Grade 2.
Noch ein Punkt, der sorgfältig zu lesen ist: Es handelt sich um die Werte einer einzigen Veröffentlichung, und veröffentlichte Werte für denselben Grade stimmen nicht alle überein. Das Beiyu Titanium Datenblatt Grade 2 gibt 0,48 bis 0,53 Mikroohm-Meter an, was in den obigen Einheiten 48 bis 53 gegenüber 56 bei RMI entspricht; das Blech Grade 23 gibt 168 bis 175 gegenüber 165 bei RMI an. Grade 5 ist der Wert, der eng übereinstimmt, 170 gegenüber 171. Die Streuung ergibt sich aus der Reinheit innerhalb des Grades, dem Produktzustand und der Messgrundlage und nicht daraus, dass eine Quelle falsch wäre, und die Wärmeleitfähigkeit verhält sich genauso, weshalb unser eigenes Datenblatt 16 bis 22 W/m·K angibt, wo die obige Tabelle einen einzelnen Wert von 20,8 führt.
Diese Streuung ist zugleich das praktische Argument dieser Seite. Wenn eine derart grundlegende Eigenschaft zwischen anerkannten veröffentlichten Quellen um etwa zehn Prozent abweicht, benötigt eine Zeichnung, die eine Grenze dafür festlegt, einen gemessenen Wert im Auftrag und keinen aus einer Tabelle übernommenen Handbuchwert.
Warum die legierten Grades dreimal ungünstiger sind
Das Muster innerhalb der unlegierten Grade ist der erste Hinweis. Grade 1 bis Grade 4 unterscheiden sich voneinander im Wesentlichen darin, wie viel Sauerstoff und Eisen die chemische Zusammensetzung zulässt, und der spezifische Widerstand folgt dem in groben Zügen: 54, 56, 56, 60. Der Trend ist grob und nicht streng. ASTM B348 lässt für Grade 3 mehr Sauerstoff zu als für Grade 2 (0,35 Prozent gegenüber 0,25), dennoch sind beide mit 56 angegeben. Gelöste Fremdatome streuen Leitungselektronen, was die übliche Erklärung dafür ist, dass der spezifische Widerstand mit dem Gehalt an interstitiellen Elementen und Eisen steigt, doch löst dies Unterschiede dieser Größenordnung nicht auf.
Grade 5 führt diesen Mechanismus wesentlich weiter. Es ist Titan mit ungefähr 6 Prozent Aluminium und 4 Prozent Vanadium, einem Legierungsgehalt, der etwa eine Größenordnung über den Restgehalten liegt, die ASTM B348 in CP-Titan zulässt, deren Höchstwerte sich insgesamt auf ungefähr 1 Prozent summieren, und es ist zweiphasig statt einphasig. Grade 23 ist dieselbe Legierung mit engeren Grenzwerten für interstitielle Elemente, und ASTM B348 beziffert dies: Sauerstoff bei maximal 0,13 Prozent gegenüber 0,20 bei Grade 5, Stickstoff 0,03 gegenüber 0,05, Eisen 0,25 gegenüber 0,40. Das ist eine kleine Änderung zusätzlich zu einem hohen Legierungsgehalt, und die veröffentlichten Werte stimmen damit überein: Grade 23 liegt bei 165 gegenüber 171 bei Grade 5, keineswegs nahe bei Grade 2. Grade 9 liegt mit 126 dazwischen, wie es seine Zusammensetzung erwarten lässt.
Die praktische Fassung: Die Wahl zwischen Grade 2 und Grade 5 aus Gründen der Festigkeit oder der Korrosion ändert zugleich das elektrische und thermische Verhalten des Teils um den Faktor drei, und diese Änderung steht bei der Grade-Wahl nur selten zur Diskussion.
Wo die Leitfähigkeit von Titan der Zweck und nicht das Problem ist
Eine schlechte Leitfähigkeit ist nicht automatisch ein Nachteil. Drei Anwendungen, mit denen Käufer zu uns kommen, beruhen unmittelbar darauf.
| Anwendung | Was der spezifische Widerstand bewirkt | Was es für die Bestellung bedeutet |
|---|---|---|
| Fremdstromanoden | Das Titan ist ein Substrat, das Strom zu einer Beschichtung führt, und nicht die Elektrodenoberfläche selbst. Der Strom muss vom Anschluss durch das Substrat zur Beschichtung laufen, und zwar in einem Metall mit 3 Prozent der Leitfähigkeit von Kupfer | Länge, Querschnitt und Anschlussdetail sind ebenso wichtig wie das Grade, und das Beschichtungssystem wird gesondert festgelegt |
| Widerstandsschweißen von Titanteilen | Wärme entsteht proportional zum Widerstand und zum Quadrat des Stroms, sodass der hohe spezifische Widerstand und die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Titan die Wärme an der Fügestelle konzentrieren, statt sie abzuführen | Das Grade ist eine Eingangsgröße für das Schweißprogramm, denn Grade 5 und Grade 2 liegen im spezifischen Widerstand um den Faktor drei auseinander |
| Wärmetauscherflächen | Die niedrige Wärmeleitfähigkeit wird durch die dünnen Wände ausgeglichen, die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Titan zulassen | Wanddicke und Rohrabmessungen gehören zur thermischen Antwort, nicht nur die Werkstoffwahl |
Der Anodenfall ist derjenige, zu dem Käufer von dieser Frage aus am häufigsten gelangen. Unser Leitfaden zu Titananoden für den kathodischen Korrosionsschutz und den Leitfaden zu MMO-beschichteten Anoden behandeln, wie sich Beschichtung und Substrat die Aufgabe teilen. Für die thermische Seite behandelt die Seite zum Wärmetauscher aus Grade 2 die Wanddicke.
Was ein Werkstoffzeugnis Ihnen nicht sagt
ASTM B348 für Stäbe und Vorblöcke, ASTM B265 für Platten und Bleche sowie ASTM B338 für Rohre sind die Spezifikationen, nach denen die meisten Titan-Halbzeuge bestellt werden. Keine davon legt den spezifischen elektrischen Widerstand oder die Wärmeleitfähigkeit fest. Sie regeln Zusammensetzung, mechanische Eigenschaften und Abmessungen, sodass ein nach einer dieser Normen ausgestelltes Zeugnis zu der Eigenschaft, um die es auf dieser Seite geht, keine Aussage enthält.
| Spezifikation | Produktform | Häufigkeit des Worts „resistivity“ im Text | Wo „conductivity“ vorkommt |
|---|---|---|---|
| ASTM B348 | Stangen und Knüppel | Keine | Nur innerhalb des Titels von ASTM E1447, dem in Bezug genommenen Verfahren zur Wasserstoffbestimmung |
| ASTM B265 | Band, Blech und Platte | Keine | Nur innerhalb des Titels von ASTM E1447 |
| ASTM B338 | Nahtloses und geschweißtes Rohr | Keine | Nur innerhalb des Titels von ASTM E1447 |
Das einmalige Vorkommen dieses Worts ist es wert, verstanden zu werden, denn es ist die Art von Angabe, die in der Eile falsch gelesen wird. ASTM E1447 ist das Verfahren, das diese Spezifikationen für die Bestimmung von Wasserstoff in der Zusammensetzung in Bezug nehmen, und sein vollständiger Titel nennt Wärmeleitfähigkeit und Infrarotdetektion als die Art, wie das Gerät das Gas erfasst. Es ist ein Analyseverfahren in der Liste der Verweisungen und keine Eigenschaft, an die der Werkstoff gebunden wird. Das daneben stehende Verfahren für Sauerstoff und Stickstoff, ASTM E1409, verwendet die Trägergasschmelzextraktion ohne jede Leitfähigkeit im Titel. Auch gibt es keine ergänzende Anforderung, auf die man zurückgreifen könnte: Die ergänzenden Anforderungen S1 bis S3 von B265 betreffen Oberflächenbiegeprüfung, eine Obergrenze der Streckgrenze und Ebenheit, keine davon elektrisch, während B338 und B348 überhaupt keinen Abschnitt mit ergänzenden Anforderungen enthalten.
Das ist der Grund, weshalb Handbuchwerte wie die obigen existieren und zitiert werden: Es sind typische Werte für den Grade, keine zugesicherten Werte für die vor Ihnen liegende Charge. Bei den meisten Teilen spielt diese Unterscheidung nie eine Rolle. Sie spielt eine Rolle, wenn eine Zeichnung eine Grenze für den spezifischen Widerstand oder die Leitfähigkeit vorgibt, denn dann gibt es in der Werkstoffspezifikation keine Klausel, auf die man sich berufen könnte, und die Messung muss in der Bestellung zusammen mit dem Verfahren und der Temperatur, bei der sie erfolgt, vereinbart werden.
Häufige Anschlussfragen
Leitet Titan Strom gut genug, um als Leiter eingesetzt zu werden? Nein. Mit etwa 3 Prozent IACS für die CP-Grades und 1 Prozent für Grade 5 ist Titan ein Konstruktions- und Korrosionswerkstoff, der zufällig leitet, und kein Leiter. Wo ein Titanbauteil nennenswerten Strom führen muss, führt eine Vergrößerung des Titans zum Ausgleich zu genau dem Querschnitt und Gewicht, die das Teil vermeiden sollte, sodass der Strompfad üblicherweise getrennt vom Titanteil gelöst wird.
Leitet Titan Strom durch seine Oxidschicht? Nicht ohne Weiteres. Die passive Titandioxidschicht, die Titan seine Korrosionsbeständigkeit verleiht, ist ein schlechter Leiter. Das ist ein Grund dafür, dass elektrische Verbindungen zu Titan an vorbereiteten Flächen hergestellt werden, und ein Teil des Grundes, weshalb blankes Titan nicht als Arbeitsfläche einer Anode verwendet wird. Es ist auch der Grund, weshalb eine Widerstandsmessung durch eine Oberfläche im Anlieferungszustand sehr stark vom Wert des Grundwerkstoffs abweichen kann.
Sollte der spezifische Widerstand zwischen Titan und einer anderen Legierung entscheiden? Selten. Weder Titan noch die rostfreien Stähle und Nickellegierungen, mit denen es konkurriert, sind Leiter, und die Werte, die sie unterscheiden, sind gering im Vergleich zu den Unterschieden bei Korrosionsverhalten, Festigkeit und Dichte, die normalerweise die Wahl bestimmen. Wo der spezifische Widerstand tatsächlich die entscheidende Eigenschaft ist, gehört er als Grenzwert auf die Zeichnung und nicht in einen Werkstoffvergleich.
Ändert sich der spezifische Widerstand mit der Temperatur? Ja, und die obigen veröffentlichten Werte sind Raumtemperaturwerte. Für einen Einsatz deutlich oberhalb oder unterhalb der Umgebungstemperatur muss die interessierende Temperatur angegeben werden, denn ein einzelner Raumtemperaturwert ist keine Antwort auf eine Frage zu hohen Temperaturen.
Ist Titan leitfähig genug, um darüber eine Struktur in den Potentialausgleich einzubinden oder zu erden? Titan führt einen Potentialausgleichsstrom, doch zwei Dinge stehen dem entgegen, und es lohnt sich, sie zu trennen. Der spezifische Widerstand des Grundwerkstoffs ist mit 56 Mikroohm-Zentimeter für Grade 2 das kleinere Problem. Das größere ist die passive Oxidschicht an der Kontaktfläche, deren Widerstand überhaupt keine Eigenschaft des Grades ist und mit der Art der Oberflächenvorbereitung schwankt. Deshalb sagt eine an einer Oberfläche im Anlieferungszustand vorgenommene Messung des Potentialausgleichs etwas über die Oberfläche und nicht über das Titan aus, und deshalb gehört die Kontaktvorbereitung neben jeden Grenzwert für den Übergangswiderstand auf die Zeichnung.
Ist Titan magnetisch? Nein, und das ist eine gesonderte Eigenschaft mit einem eigenen Zeugnisproblem. Die Seite zur Permeabilität behandelt dies.
Spezifikationsdetails mit Quellenangabe
Die Werte für spezifischen Widerstand und Wärmeleitfähigkeit in der Tabelle sind die Raumtemperaturwerte, die in dem von der RMI Titanium Company veröffentlichten Titanlegierungs-Leitfaden, Januar 2000, im Abschnitt zu den Eigenschaften von technisch reinem Titan und Titanlegierungen abgedruckt sind. Der Wert von 171 Mikroohm-Zentimeter für Grade 5 wird unabhängig bestätigt durch das NASA Materials Data Handbook: Titanium 6Al-4V erstellt im Rahmen des Vertrags NAS8-26644, das in seiner tabellarischen Übersicht den spezifischen elektrischen Widerstand mit 171 microhms-cm bei 20 Grad C angibt. Die Spalte in Prozent IACS ist eine Rechengröße gegenüber dem Wert des International Annealed Copper Standard von 1,7241 Mikroohm-Zentimeter bei 20 Grad C und keine gesondert veröffentlichte Angabe. Die gegenüber den RMI-Werten genannten Vergleichszahlen sind diejenigen der Datenblätter von Beiyu Titanium zu Grade 2, Grade 5 und Grade 23, und sie werden gezeigt statt abgeglichen, weil die Abweichung zwischen veröffentlichten Quellen selbst der Punkt ist. Die für Grade 5 und Grade 23 genannten Grenzwerte der Zusammensetzung stammen aus der Tabelle der chemischen Anforderungen von ASTM B348, deren Anwendungsbereich Stäbe und Vorblöcke aus Titan und Titanlegierungen umfasst; die Legierungsangaben von 6 Prozent Aluminium und 4 Prozent Vanadium sind die Beschreibungen, die B348 diesen Graden in seinen Anwendungsbereichsklauseln selbst gibt. Zum Zeugnis: Weder ASTM B348 noch B265 oder B338 enthalten das Wort resistivity irgendwo im Text, und das einzige Vorkommen von conductivity liegt in allen dreien im Titel des in Bezug genommenen Verfahrens zur Wasserstoffprüfung, ASTM E1447. Alle drei legen chemische, mechanische und maßliche Anforderungen fest und enden dort.
Was in die Anfrage gehört
Spezifischer Widerstand und Wärmeleitfähigkeit sind in keiner der drei oben genannten Spezifikationen Gegenstand des Zeugnisses. Eine Zeichnung, die einen Grenzwert enthält, erfordert daher, dass die Anfrage vier Angaben enthält, die ein allein nach diesen Spezifikationen ausgestelltes Zeugnis nicht ausweist: den Grenzwert selbst, das Prüfverfahren, die Temperatur, bei der die Messung erfolgt, und den Grade. Mit diesen vier Angaben wird die zusätzliche Prüfung zusammen mit dem Werkstoff angeboten, statt erst bei der Prüfung aufzutauchen. Anodensubstrate benötigen zwei weitere Angaben, den Strompfad und das Beschichtungssystem, denn diese bestimmen den Querschnitt stärker als die Grade-Wahl. Beiyu Titanium liefert Titan in Grade 1, 2, 5, 7, 9, 12 und 23 als Stab, Platte, Blech, Rohr und Schmiedeteil nach ASTM- und AMS-Spezifikationen, mit einem Abnahmeprüfzeugnis 3.1 nach EN 10204 je nach Bestellumfang. Grade 3 und Grade 4 erscheinen in der obigen Tabelle wegen des Trends, den sie über die unlegierten Grade hinweg zeigen, und nicht als Lieferangebot.