Ossigeno, azoto, carbonio e idrogeno occupano gli interstizi del reticolo del titanio anziché sostituire gli atomi di titanio; poche centinaia di parti per milione modificano quindi resistenza e tenacità più delle variazioni a livello degli elementi di lega. Sono i quattro valori di un certificato che determinano se un componente sia resistente, tenace, saldabile o soggetto a criccatura in servizio.
La voce di un certificato del titanio che incide maggiormente non è l'alluminio né il vanadio. Sono i quattro piccoli numeri sottostanti: ossigeno, azoto, carbonio, idrogeno. Sono riportati in centesimi e millesimi di percentuale, è facile scorrerli senza attenzione e determinano se un componente sarà resistente, tenace, saldabile o presenterà cricche dopo tre mesi di servizio.
Questi sono gli elementi interstiziali: atomi abbastanza piccoli da occupare gli interstizi del reticolo del titanio anziché sostituire gli atomi di titanio. Poiché deformano direttamente il reticolo, poche centinaia di parti per milione modificano proprietà che variazioni a livello degli elementi di lega non modificherebbero.
Numeri reali come riferimento
Ecco gli elementi interstiziali misurati in un recente lotto di lingotti TC4 (Ti-6Al-4V), sottoposto a prove presso un laboratorio indipendente accreditato:
| Elemento interstiziale | Valore misurato | In ppm | Limite Grade 5 | Limite Grade 23 (ELI) |
|---|---|---|---|---|
| Ossigeno (O) | 0.186% | 1,860 | ≤ 0,20% | ≤ 0,13% |
| Azoto (N) | 0.007% | 70 | ≤ 0,05% | ≤ 0,03% |
| Carbonio (C) | <0,004% | <40 | ≤ 0,08% | ≤ 0,08% |
| Idrogeno (H) | <0,0006% | <6 | ≤ 0,015% | ≤ 0,0125% |
Quel lotto è un Grade 5 pulito e sano e, cosa altrettanto utile, mostra dove finiscono i limiti di Grade 5. Il suo ossigeno (0,186%) rientra ampiamente in Grade 5 ma non conforme a Grade 23, che limita l'ossigeno a 0,13%. Stesso Ti-6Al-4V, limiti diversi per gli interstiziali. La differenza tra questi due gradi è quasi interamente in questa tabella.
Ossigeno: il principale elemento di rafforzamento
L'ossigeno è il fattore più incisivo nel titanio commerciale. Aumenta costantemente il carico di snervamento e la resistenza a trazione e, in cambio, riduce la duttilità, la tenacità a frattura e la resistenza alla propagazione delle cricche da fatica. Questa relazione è così costante che i gradi commercialmente puri costituiscono essenzialmente una scala di contenuto di ossigeno:
| Grado CP | Ossigeno (max) | Effetto |
|---|---|---|
| Grade 1 | 0.18% | Il più tenero e formabile |
| Grade 2 | 0.25% | Il grado versatile per uso generale |
| Grade 3 | 0.35% | Resistenza superiore |
| Grade 4 | 0.40% | Il CP più resistente, il meno duttile |
Quattro “gradi” dello stesso titanio commercialmente puro, distinti soprattutto dalla quantità di ossigeno ammessa. Una volta compreso questo, gran parte della selezione del grado non richiede più di memorizzare dati. (La nostra guida al confronto dei gradi illustra l'intera scala.)
Azoto e carbonio: limiti ridotti per buone ragioni
L'azoto rafforza il titanio ancora più dell'ossigeno, con un'efficacia circa doppia, motivo per cui le specifiche lo limitano rigorosamente e compare raddoppiato nella formula dell'ossigeno equivalente riportata sotto. Il suo vero pericolo è locale: una zona ricca di azoto può formare inclusioni di TiN dure e fragili (“hard alpha”) che fungono da inneschi per cricche. L'obiettivo è un contenuto basso e uniforme; i 70 ppm del nostro lotto d'esempio sono un ordine di grandezza sotto il limite massimo di Grade 5.
| Elemento interstiziale | Cosa afferma la guida |
|---|---|
| Azoto | Rafforza il titanio con un'efficacia circa doppia rispetto all'ossigeno, motivo per cui le specifiche lo limitano strettamente |
| Idrogeno | Non apporta alcun beneficio utile e può compromettere il componente; l'idrogeno disciolto provoca infragilimento da idrogeno e criccatura fragile ritardata |
Il carbonio è il meno incisivo dei quattro. Ai livelli normali ha scarso effetto; soltanto molto oltre i limiti di specifica forma carburi che compromettono la duttilità. Qui è riportato sotto 40 ppm e non costituisce un problema.
L'ossigeno equivalente: un numero per l'effetto di rafforzamento
Poiché ossigeno, azoto e carbonio rafforzano e infragiliscono, i metallurgisti li riuniscono in un unico ossigeno equivalente:
Oeq = %O + 2 × %N + 0.67 × %C
Per il nostro lotto: 0.186 + 2(0.007) + 0.67(0.004) ≈ 0.203%. Quel singolo valore rappresenta il rafforzamento interstiziale totale e la penalizzazione complessiva della tenacità meglio del solo ossigeno, motivo per cui le specifiche per applicazioni critiche per la frattura ed ELI lo controllano attentamente.
Idrogeno: l'elemento che comporta soltanto rischi
Gli altri tre aumentano la resistenza. L'idrogeno non offre alcun vantaggio utile e può causare la perdita del componente. L'idrogeno disciolto provoca infragilimento da idrogeno e criccatura fragile ritardata, talvolta molto tempo dopo l'entrata in servizio del componente. È limitato a 150 ppm per Grade 5 e 125 ppm per ELI, e una buona pratica lo mantiene molto più basso; sotto 6 ppm in questo lingotto.
Il problema è che l'idrogeno viene assorbito anche dopo anche dopo la fusione: decapaggio acido aggressivo, saldatura contaminata e determinati ambienti di servizio aggiungono tutti idrogeno. Un lingotto pulito è necessario ma non sufficiente; movimentazione e lavorazione devono mantenerlo pulito.
Quando sostenere il costo dell'ELI (Grade 23)
Grade 23 è Ti-6Al-4V con contenuti di interstiziali ridotti: ossigeno ≤0,13%, azoto ≤0,03%, limiti più restrittivi per ferro e idrogeno. Si rinuncia a un po' di resistenza e si guadagnano tenacità a frattura, duttilità e prestazioni a fatica, oltre a compatibilità criogenica e biologica. È generalmente giustificato in tre ambiti:
| Applicazione |
|---|
| Impianti medici, in cui contano tenacità e biocompatibilità e il materiale viene acquistato secondo ASTM F136; tipicamente sotto forma di lamiera spessa Grade 23 (ELI) e barra. |
| Strutture aerospaziali critiche rispetto alla frattura, in cui un componente è progettato per tollerare una cricca senza cedere. |
| Servizio criogenico, in cui il titanio con tenore standard di elementi interstiziali perde troppa duttilità. |
Se l'applicazione non rientra in uno di questi casi, il Grade 5 standard è generalmente la scelta corretta e più economica. Forniamo entrambi Ti-6Al-4V (Grade 5) e Grade 23 ELI con l'analisi degli interstiziali sul certificato del materiale, affinché la scelta si basi sui numeri anziché sul nome del grado.
FAQ
Perché l'ossigeno nel titanio è riportato in percentuale ma espresso in ppm?
Sono la stessa cosa su scale diverse: 0,18% di ossigeno equivale a 1800 ppm. I certificati riportano solitamente la percentuale; gli ingegneri parlano spesso in ppm perché le variazioni significative avvengono nell'ordine delle centinaia di ppm.
Si può rimuovere l'ossigeno dal titanio quando il contenuto è troppo elevato?
In pratica, no. L'ossigeno interstiziale è bloccato nel reticolo dalla fusione; non può essere eliminato mediante ricottura. Per questo deve essere controllato nella fase di lingotto e il certificato del lingotto è importante.
"ELI" è una lega diversa da Grade 5?
No. è la stessa composizione chimica Ti-6Al-4V con un limite più restrittivo degli interstiziali (Grade 23). Gli elementi di lega sono nominalmente identici; i limiti massimi O/N/Fe/H sono inferiori.
Come verificare gli interstiziali del materiale da acquistare?
Richiedere il certificato del materiale con la composizione chimica completa e verificarla rispetto al grado e l'applicazione. Inviare una richiesta con il grado, la norma e la documentazione necessari.
Dettagli delle specifiche con fonti
ASTM assegna a ogni elemento interstiziale nel titanio un proprio metodo di prova, ed è il metodo a rendere confrontabili tra laboratori i quattro valori riportati su un certificato: ossigeno e azoto vengono determinati mediante fusione in gas inerte secondo ASTM E1409, l'idrogeno mediante fusione in gas inerte secondo ASTM E1447, e il carbonio mediante analisi per combustione secondo ASTM E1941. Questi sono i metodi richiamati dalle norme di prodotto del titanio per l'analisi chimica; un ordine d'acquisto che li indica, 3 norme di metodo che coprono tutti i 4 elementi, stabilisce quindi in anticipo quale strumento faccia fede quando una riprova dell'acquirente non concorda con il valore dello stabilimento produttore.
Beiyu Titanium fa eseguire l'analisi degli elementi interstiziali per ogni colata di produzione presso un laboratorio esterno dello stabilimento produttore oppure presso il laboratorio interno dello stabilimento, 2 percorsi di laboratorio, e riporta ossigeno, azoto, carbonio e idrogeno sul certificato di collaudo 3.1 secondo EN 10204 relativo a quella colata. Per i lavori in cui il limite degli interstiziali è il punto centrale dell'ordine, Beiyu fornisce ELI Grade 23 in 4 forme lavorate plasticamente, barra, lamiera spessa, tubo e pezzi forgiati, in modo che una stessa costruzione possa mantenere gli stessi limiti massimi di interstiziali dal mantello al componente lavorato meccanicamente.
Inviare una richiesta di offerta tecnica
Per le richieste di offerta relative alla selezione del grado di titanio, includere grado desiderato, requisito di ossigeno o resistenza, forma del prodotto, dimensioni, tolleranza, applicazione e requisito del certificato.