Il titanio e l'acciaio inossidabile resistono entrambi alla corrosione e vengono entrambi specificati per impieghi chimici, marini e di processo, quindi gli acquirenti devono spesso scegliere tra i due. Il titanio prevale nella resistenza alla corrosione da cloruri e nel rapporto resistenza/peso, l'acciaio inossidabile nel prezzo e nella facilità di fabbricazione, ed esiste una fascia di impieghi in cui entrambi sarebbero adatti e il budget decide. Questa pagina confronta i due materiali per corrosione, resistenza, peso, temperatura, fabbricazione e costo, e mostra quando ciascuno è la scelta corretta.
Titanio e acciaio inossidabile a confronto in sintesi
| Proprietà | Titanio (Grade 2 / Grade 5) | Acciaio inossidabile (304 / 316) |
|---|---|---|
| Densità | Circa 4,5 g/cm3 | Circa 8,0 g/cm3 |
| Corrosione da cloruri e acqua di mare | Resiste alla corrosione per vaiolatura, interstiziale e alla tensocorrosione | Può subire corrosione per vaiolatura e fessurarsi nei cloruri, soprattutto a caldo |
| Rapporto resistenza/peso | Elevato, massimo in Grade 5 | Inferiore |
| Acidi riducenti (HCl, H2SO4) | Limitata, utilizzare Grade 7 o Grade 12 | Alcuni gradi altolegati resistono meglio |
| Costo iniziale del materiale | Superiore | Inferiore |
| Costo del ciclo di vita in acqua di mare o cloruri | Inferiore, lunga durata senza manutenzione | Superiore quando corrosione per vaiolatura o fessurazione riducono la durata |
Resistenza alla corrosione
Il titanio offre una maggiore resistenza alla corrosione in presenza di cloruri e acqua di mare. Il suo film protettivo di ossido resiste alla corrosione per vaiolatura, alla corrosione interstiziale e alla tensocorrosione da cloruri che danneggiano gli acciai inossidabili 304 e 316 in acqua calda e salata. L'acciaio inossidabile si basa su un film di ossido di cromo che si degrada quando i cloruri raggiungono concentrazioni e temperature sufficientemente elevate, motivo per cui tubi di scambiatori di calore con corrosione per vaiolatura e acciaio inossidabile fessurato in acqua di mare sono guasti comuni. Il titanio resiste ad acqua di mare, cloro umido, candeggina e salamoia calda dove l'acciaio inossidabile non riesce.
| Proprietà | Titanio | Acciaio inossidabile |
|---|---|---|
| Corrosione da cloruri e acqua di mare | Il materiale più performante; il suo film protettivo di ossido resiste alla corrosione per vaiolatura, alla corrosione interstiziale e alla tensocorrosione da cloruri | 304 o 316; il 316 aggiunge circa 2 a 3 per cento di molibdeno, che ne aumenta la resistenza alla corrosione per vaiolatura da cloruri rispetto al 304 |
| Resistenza | Grade 5 (Ti-6Al-4V) raggiunge circa 895 MPa di resistenza a trazione | Circa 515 MPa per il 316 ricotto |
| Densità | Circa 4,5 g/cm3 | Circa 8,0 g/cm3 |
| Peso a parità di pezzo | Circa 44 per cento in meno | Riferimento |
Il titanio non è immune a tutto. Negli acidi fortemente riducenti, come l'acido cloridrico o solforico caldo, il titanio commercialmente puro si corrode e la soluzione è Grade 7 (titanio-palladio) o Grade 12, non l'acciaio inossidabile. L'acido fluoridrico attacca gravemente il titanio e deve essere evitato. Negli acidi ossidanti come l'acido nitrico, entrambi i materiali si comportano bene. La resistenza del titanio negli ambienti in cui è efficace deriva dal film passivo; il meccanismo è descritto nella guida su perché il titanio resiste alla corrosione.
304, 316 e titanio: la progressione pratica
La maggior parte delle scelte relative all'acciaio inossidabile riguarda 304 o 316. Il 316 contiene circa il 2 al 3 per cento di molibdeno, che ne aumenta la resistenza alla corrosione per vaiolatura da cloruri rispetto al 304, perciò il 316 è l'acciaio inossidabile per uso marino. Tuttavia, il 316 subisce ancora corrosione per vaiolatura e criccatura in acqua di mare calda e in presenza di cloruri concentrati. In pratica, si passa dal 304 per condizioni poco aggressive al 316 per esposizione moderata ai cloruri, agli acciai inossidabili duplex o super-duplex per condizioni più severe con cloruri, fino al titanio quando i cloruri sono caldi, concentrati o presenti continuamente. Il titanio occupa il livello più alto di questa scala per la corrosione da cloruri.
| Materiale | Dove lo colloca la guida nella scala |
|---|---|
| acciaio inossidabile 304 | Impiego poco gravoso |
| acciaio inossidabile 316 | Impiego con cloruri moderatamente gravoso; il 316 aggiunge circa 2 a 3 per cento di molibdeno, che ne aumenta la resistenza alla corrosione per vaiolatura da cloruri rispetto al 304, per cui il 316 è l'acciaio inossidabile per impiego marino |
| Acciaio inossidabile duplex o super-duplex | Impiego più gravoso con cloruri |
| Titanio | Dove i cloruri sono caldi, concentrati o presenti in modo continuo |
La stessa graduazione si applica ai componenti ausiliari di un processo, non soltanto alle parti a contatto con il fluido. Negli scarichi delle cucine professionali e della trasformazione alimentare, le celle di raccolta e gli involucri sono comunemente specificati in acciaio inossidabile 304 o 316, riservando i materiali di grado superiore ai siti più aggressivi. Il prodotto di Polygee precipitatore elettrostatico da condotta ne è un esempio: si installa direttamente nel condotto per catturare grassi e fumo prima dello scarico, con celle lavabili adattabili al livello di corrosività del sito.
Resistenza e rapporto resistenza/peso
Il titanio Grade 5 (Ti-6Al-4V) raggiunge circa 895 MPa di resistenza a trazione, ben oltre i circa 515 MPa dell'acciaio inossidabile 316 ricotto, con circa metà del peso. Il titanio commercialmente puro Grade 2 si avvicina al 316 per resistenza a trazione assoluta, con 345 MPa, ma è molto più leggero. Nel rapporto resistenza/peso il titanio non ha veri concorrenti, motivo per cui viene scelto per applicazioni aerospaziali, parti rotanti e ogni impiego in cui la massa comporta costi. Quando conta solo la resistenza assoluta e il peso non è rilevante, restano validi gli acciai inossidabili ad alta resistenza e i gradi duplex.
Peso e densità
Il titanio ha una densità di circa 4,5 g/cm3 contro circa 8,0 g/cm3 dell'acciaio inossidabile, quindi un componente in titanio pesa circa il 44 per cento in meno dello stesso componente in acciaio inossidabile. Su un recipiente, una pompa, un collettore o una struttura, ciò equivale a eliminare quasi metà del peso. Per tutto ciò che si muove, viene sospeso, trasportato o deve essere sostenuto, il risparmio di peso è il motivo principale per cui si specifica il titanio al posto dell'acciaio inossidabile, anche quando entrambi resisterebbero al fluido.
Impiego ad alta temperatura
Le alte temperature sono il campo in cui l'acciaio inossidabile può prevalere. I gradi austenitici come 310 e 321 mantengono la resistenza meccanica e resistono all'ossidazione a temperature prolungate ben superiori a quelle tollerate dal titanio. Il titanio inizia ad assorbire ossigeno e a perdere duttilità quando le temperature superano alcune centinaia di gradi; per componenti di forni, scarichi e processi ad alta temperatura, gli acciai inossidabili resistenti al calore o le leghe di nichel sono quindi generalmente la soluzione migliore. Il titanio trova impiego in ambienti umidi e corrosivi a temperatura bassa o moderata, non in condizioni asciutte ad alta temperatura.
| Punto | Cosa afferma la guida |
|---|---|
| Impiego ad alta temperatura | Alle alte temperature l'acciaio inossidabile può prevalere. I gradi austenitici come 310 e 321 mantengono la resistenza meccanica e resistono all'ossidazione a temperature continuative ben superiori all'intervallo del titanio |
| Lavorazione meccanica e saldatura | L'acciaio inossidabile è più facile ed economico da lavorare meccanicamente e saldare con le comuni pratiche d'officina. Il titanio richiede velocità di taglio inferiori, utensili affilati e un buon refrigerante |
| Accoppiamento galvanico | Quando titanio e acciaio inossidabile vengono imbullonati o saldati insieme in un ambiente umido e conduttivo, il titanio è il metallo più nobile e l'acciaio inossidabile diventa la parte che si corrode |
| Costo | L'acciaio inossidabile costa meno al chilogrammo ed è la scelta meno costosa inizialmente, spesso con un ampio margine. Il titanio costa di più da estrarre, fondere e lavorare meccanicamente |
Lavorazione meccanica, saldatura e grippaggio
L'acciaio inossidabile è più facile ed economico da lavorare meccanicamente e saldare con le normali pratiche di officina. Il titanio richiede velocità di taglio inferiori, utensili affilati e un buon refrigerante e deve essere saldato sotto protezione di gas inerte con un rigoroso controllo della contaminazione, altrimenti la saldatura diventa fragile. Il titanio tende inoltre al grippaggio quando scorre contro sé stesso o contro l'acciaio inossidabile senza lubrificazione o trattamento superficiale. Entrambi i metalli sono saldabili e lavorabili meccanicamente; il titanio richiede semplicemente maggiori controlli e costi in officina, fattori da includere nella scelta.
Abbinare titanio e acciaio inossidabile: note galvaniche
Quando titanio e acciaio inossidabile sono imbullonati o saldati insieme in un ambiente umido e conduttivo, il titanio è il metallo più nobile e l'acciaio inossidabile diventa la parte che si corrode più rapidamente. Il titanio stesso non risente dell'accoppiamento. Negli impianti ad acqua di mare che combinano i due materiali, gli elementi di fissaggio o le flange in acciaio inossidabile richiedono attenzione, mediante isolamento, rivestimento o impiego del titanio anche per questi componenti. È un dettaglio spesso trascurato quando un impianto sostituisce soltanto i tubi con il titanio, lasciando componenti in acciaio inossidabile nello stesso flusso.
Costo e ciclo di vita
L'acciaio inossidabile costa meno al chilogrammo ed è la scelta meno costosa all'acquisto, spesso con un ampio margine. Il titanio costa di più da estrarre, fondere e lavorare meccanicamente. Il confronto corretto riguarda il costo totale lungo la vita del componente. In condizioni corrosive, il titanio può durare anni più dell'acciaio inossidabile ed eliminare la corrosione per vaiolatura, le perdite, le sostituzioni e i fermi associati all'acciaio inossidabile corroso; inoltre, il risparmio di peso può ridurre le strutture di supporto in acciaio e i costi di trasporto. In condizioni poco aggressive, l'acciaio inossidabile è la soluzione economica; con cloruri caldi o acqua di mare, il titanio spesso costa meno una volta considerate le sostituzioni.
Quale scegliere
Scegliere il titanio per impieghi con acqua di mare, cloruri caldi, cloro umido o candeggina, oppure quando il peso è determinante; la durata in ambiente corrosivo e il risparmio di peso compensano il prezzo maggiore. Scegliere l'acciaio inossidabile quando il fluido rientra nei suoi limiti e il budget è determinante, oppure per condizioni asciutte e calde in cui l'acciaio inossidabile resiste meglio. Molti impianti utilizzano entrambi, impiegando l'acciaio inossidabile dove è sicuro e il titanio dove l'acciaio inossidabile cederebbe. Occorre abbinare il metallo alle condizioni reali di servizio, senza sceglierne automaticamente uno per ogni impiego.
| Scegliere | Cosa afferma la guida |
|---|---|
| Titanio | Quando l'impiego riguarda acqua di mare, cloruri caldi, cloro umido o candeggina, oppure quando il peso è critico |
Gradi a confronto
| Proprietà | Ti Grade 2 (R50400) | Ti Grade 5 (R56400) | acciaio inossidabile 304 | acciaio inossidabile 316 |
|---|---|---|---|---|
| Resistenza a trazione (min) | 345 MPa | 895 MPa | ~515 MPa | ~515 MPa |
| Densità | 4,51 g/cm3 | 4,43 g/cm3 | ~8,0 g/cm3 | ~8,0 g/cm3 |
| Corrosione per vaiolatura/interstiziale da cloruri caldi | resiste | resiste | subisce facilmente corrosione per vaiolatura | migliore del 304, ma subisce ancora corrosione per vaiolatura |
| Tensocorrosione da cloruri | immune | immune | suscettibile | suscettibile |
| Costo relativo per kg | maggiore | massimo | minimo | basso |
Domande comuni
Il titanio è più resistente dell'acciaio inossidabile? Il titanio Grade 5 è molto più resistente dell'acciaio inossidabile 316 e pesa la metà. Il Grade 2 commercialmente puro ha una resistenza a trazione simile al 316, ma è molto più leggero.
Il titanio si corrode meno dell'acciaio inossidabile? In presenza di cloruri e acqua di mare, sì. Il titanio resiste alla corrosione per vaiolatura, alla corrosione interstiziale e alla tensocorrosione da cloruri che attaccano 304 e 316 in condizioni calde e saline.
L'acciaio inossidabile 316 è efficace quanto il titanio in acqua di mare? No. Il 316 resiste più del 304, ma subisce comunque corrosione per vaiolatura e criccatura in acqua di mare calda o stagnante. Il titanio resiste dove il 316 cede.
Quando l'acciaio inossidabile è la scelta migliore? Per condizioni poco aggressive o asciutte, per impieghi ad alta temperatura in cui il titanio perde duttilità e quando il budget è determinante e il fluido resta entro i limiti dell'acciaio inossidabile.
Perché il titanio è più costoso dell'acciaio inossidabile? Il titanio è più difficile da estrarre, fondere e lavorare meccanicamente. Il vantaggio economico deriva dalla maggiore durata in condizioni corrosive e dal risparmio di peso.
È possibile saldare il titanio all'acciaio inossidabile? La saldatura diretta per fusione dei due materiali non produce un giunto affidabile; generalmente vengono uniti meccanicamente o mediante un elemento di transizione, e l'accoppiamento galvanico deve essere gestito in condizioni umide.
Beiyu Titanium è il marchio internazionale per l'esportazione di titanio di Jiaxing Beiyu New Materials Technology Co., Ltd., con supporto produttivo a Baoji, Shaanxi. Per una richiesta di offerta relativa alla selezione del materiale, inviare forma di prodotto richiesta, grado, norma ASTM o AMS applicabile, dimensioni, stato, quantità, applicazione e ambito dei documenti di controllo a [email protected]. Per confrontare prima i gradi di titanio, utilizzare la guida al confronto dei gradi di titanio, la pagina Grade 2, la pagina Grade 5 e, per il servizio in acidi riducenti, la pagina Grade 7. Se sono richieste documentazione EN 10204 3.1 o tracciabilità tramite il numero di colata, indicare i risultati e i campi di tracciabilità necessari, così da poter confermare l'ambito disponibile prima del rilascio dell'ordine.
Il confronto tra due famiglie di materiali modifica ciò che il certificato deve dimostrare
Un confronto tra titanio e acciaio inossidabile si ferma solitamente alle proprietà. La parte che determina una sostituzione nella pratica è documentale: le due famiglie vengono accettate secondo catene di specifiche diverse, e per il titanio ogni valore citato ha alla base metodi di prova specificamente indicati.
| Cosa viene riportato per il titanio | Metodo richiamato da ASTM B348 |
|---|---|
| Ossigeno e azoto | ASTM E1409 |
| Idrogeno | ASTM E1447 |
| Carbonio | ASTM E1941 |
| Proprietà a trazione | ASTM E8, alla velocità di deformazione stabilita dalla specifica, da 0,003 a 0,007 in./in./min fino al carico di snervamento specificato |
Indicare un metodo chiarisce come è stato ottenuto un valore. Non aggiunge un esame non richiesto dall'ordine.
Cosa sarebbe opportuno includere in una richiesta di sostituzione
| Riga | Perché è necessario in particolare per una sostituzione |
|---|---|
| Ambiente di impiego, non soltanto il nome del materiale | Il motivo per cui si considera il titanio è solitamente l'ambiente, che determina il grado |
| Norma applicabile al titanio insieme al grado | I criteri di accettazione cambiano con la catena di specifiche, non con la famiglia |
| Sezione e tolleranza | Una sezione in acciaio inossidabile non è automaticamente disponibile nella stessa forma in titanio |
| Certificato e ambito dei dati da riportare | Certificato di collaudo 3.1 secondo EN 10204 con tracciabilità tramite il numero di colata, ambito stabilito dall'ordine |
Una sostituzione quotata sulla sola base di una tabella delle proprietà tende ad arrivare con documenti che rispondono a meno di quanto previsto dal processo di ricevimento.
L'acciaio è più duro del titanio? Dipende dall'acciaio, ed è questa la risposta utile
La durezza è l'aspetto in cui questo confronto più spesso porta fuori strada, e la risposta onesta è che dipende dall'acciaio. Gli intervalli di durezza di acciaio e titanio si sovrappongono: un acciaio inossidabile austenitico ricotto può avere una durezza inferiore al titanio Grade 5 ricotto, mentre un acciaio temprato per utensili o cuscinetti può avere una durezza notevolmente superiore a entrambi. Il risultato dipende dal grado specificato e dal suo stato di trattamento termico, non dal metallo. Il titanio viene solitamente scelto quando bassa densità e resistenza alla corrosione sono le priorità progettuali, anziché per la durezza massiva, che è una proprietà diversa misurata su una scala diversa.
| Materiale | Durezza pubblicata nelle schede tecniche Beiyu | Stato |
|---|---|---|
| Titanio Grade 2 (CP, UNS R50400) | Valori tipici vicini a 150 HB, oppure da 160 a 200 HV | Ricotto |
| Titanio Grade 5 (Ti-6Al-4V, UNS R56400) | Da 30 a 36 HRC; la scheda tecnica riporta circa 330 HV e 334 HB come equivalenti approssimativi per lo stesso stato | Ricotto |
| Titanio Grade 5 | Circa da 35 a 39 HRC | Solubilizzato e invecchiato |
| Acciaio | Spazia dall'acciaio dolce tenero ai gradi temprati per utensili e cuscinetti | Dipende interamente dal grado e dal trattamento termico |
L'ultima riga spiega perché non si può rispondere alla domanda nella forma in cui viene solitamente posta. L'acciaio non è un unico materiale. Il suo intervallo di durezza copre gran parte della scala pratica, quindi un confronto con il titanio ha senso solo dopo aver indicato il grado dell'acciaio e il suo stato di trattamento termico. Confrontare il titanio con un acciaio non specificato produce una risposta che cambia a seconda dell'acciaio che il lettore aveva in mente.
La durezza non compare sul certificato e questo sorprende gli acquirenti
Esiste una seconda insidia che conta più in un ordine che in una discussione. Né ASTM B265 né ASTM B348 prevedono una colonna per la durezza. Sono le specifiche secondo cui si acquista la maggior parte delle lamiere sottili, delle lamiere spesse e delle barre in titanio e stabiliscono composizione chimica, proprietà meccaniche e tolleranze. La durezza non è tra queste.
Ne derivano due conseguenze. Un certificato del materiale emesso secondo B265 o B348 non è tenuto a riportare la durezza, quindi un disegno che specifica un limite di durezza richiede qualcosa che la norma applicabile non verifica. Inoltre, il materiale non può essere rifiutato per la durezza in base a tali norme, perché non contengono alcun requisito rispetto al quale rilevare una non conformità. Se un limite di durezza è un effettivo requisito progettuale, va inserito nell'ordine d'acquisto come prova aggiuntiva concordata, indicando metodo e stato, allo stesso modo di un limite di permeabilità magnetica.
| Cosa indica il disegno | Cosa riporta un certificato B265 o B348 | Cosa occorre concordare nell'ordine |
|---|---|---|
| Un limite di durezza | Composizione chimica, resistenza a trazione, carico di snervamento, allungamento. Nessuna durezza | La scala di durezza, il limite, il metodo di prova e lo stato di fornitura a cui si applica |
| Stato ricotto, nessun limite di durezza | Composizione chimica e proprietà meccaniche | Null'altro; lo stato determina già l'intervallo previsto |
| Grade 5 solubilizzato e invecchiato | Composizione chimica e proprietà meccaniche per quello stato | Confermare se il valore di durezza è un requisito o un valore tipico riportato a titolo informativo |
Cosa confrontare invece quando il pezzo deve resistere all'usura
Se il motivo della richiesta sulla durezza è l'usura, il confronto da effettuare non è quello astratto tra titanio e acciaio. Il titanio tende al grippaggio contro sé stesso e contro molti metalli accoppiati: è un comportamento superficiale anziché un valore di durezza massiva e viene gestito tramite trattamento superficiale, scelta di un materiale di accoppiamento diverso o trasferimento della superficie soggetta a usura su un altro componente. Un pezzo scelto in titanio per motivi di corrosione e poi destinato a un servizio con usura da scorrimento è il caso in cui di solito occorre modificare la specifica, non il materiale.
La corrosione è il motivo abituale per cui il disegno prevede titanio anziché acciaio inossidabile e i casi in cui il titanio stesso viene attaccato sono illustrati in il titanio si corrode.
L'aspetto del peso in questo confronto, con densità per grado, chilogrammi per metro in funzione della dimensione della barra ed eccedenza di peso ammessa dalle norme, è riportato in il titanio è pesante.
Dettagli delle specifiche con fonti
I due film passivi derivano da diversi tenori di elementi di lega, dichiarati dalle norme di prodotto. ASTM A240 prevede per il tipo 316 da 16,0 a 18,0 per cento di cromo e da 10,0 a 14,0 per cento di nichel, la riserva che mantiene il film di ossido di cromo, mentre ASTM B265 definisce il titanio Grade 2 come metallo non legato con ferro limitato a 0,30 per cento e ossigeno a 0,25 per cento. Il film del titanio si forma dal metallo base stesso, per questo le sue prestazioni in presenza di cloruri non dipendono da una riserva di elementi di lega che la salamoia calda concentrata può esaurire localmente.
| Norma | Composizione citata dalla guida |
|---|---|
| ASTM A240, tipo 316 | Da 16,0 a 18,0 per cento di cromo e da 10,0 a 14,0 per cento di nichel, la riserva che mantiene il film di ossido di cromo |
| ASTM B265, titanio Grade 2 | Metallo non legato con ferro limitato a 0,30 per cento e ossigeno a 0,25 per cento |
Anche l'approvvigionamento si distingue per famiglia di specifiche, e citare i documenti corretti evita ordini con norme mescolate. Il titanio a contatto con il fluido si acquista secondo ASTM B265 per lamiere sottili e spesse, B348 per barre e B338 per tubi da scambiatore, mentre gli equivalenti in acciaio inossidabile sono A240 per lamiere spesse, A276 per barre e A312 per tubi, con i documenti corrispondenti ASME SB e SA che subentrano nelle costruzioni in pressione soggette a codice. EN 10204 definisce il certificato di collaudo tipo 3.1 utilizzato per entrambe le famiglie, quindi un progetto che impiega titanio e acciaio inossidabile insieme può mantenere un unico modello documentale, mentre ogni colata viene valutata rispetto alle tabelle della propria norma.