Sì. Il titanio è un metallo conduttivo, ma un cattivo conduttore. Grade 2 commercialmente puro ha una resistività elettrica di 56 microohm-centimetri a temperatura ambiente, che corrisponde a circa il 3 per cento della conducibilità del rame ricotto. La variabilità dietro quel numero conta più del numero stesso: Grade 5 si colloca a 171, circa tre volte più resistivo di Grade 2, per cui la risposta alla domanda se il titanio conduca dipende da quale titanio è indicato sul disegno.
Resistività e conducibilità termica, grado per grado
I valori sotto sono i dati a temperatura ambiente pubblicati nella guida di RMI Titanium Company Guida alle leghe di titanio (gennaio 2000), tratti dalle schede tecniche per grado di un'unica pubblicazione, in modo che i gradi abbiano la stessa base di confronto. La colonna della conducibilità è calcolata dalla resistività rispetto all'International Annealed Copper Standard, in cui il 100 per cento IACS è definito come una resistività di 1,7241 microohm-centimetri a 20 gradi C. I numeri UNS mostrati sono indicati solo come riferimento incrociato. Grade 23 compare qui come R56407; R56401 è il numero riportato da ASTM F136 per la forma destinata a impianti chirurgici della stessa lega.
| Grado | UNS | Resistività elettrica (microhm-cm) | Percentuale IACS approssimativa | Conducibilità termica (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 |
Due elementi di quella tabella meritano una seconda lettura. Grade 12, una lega scelta per il suo comportamento nella salamoia calda, è la voce più conduttiva dell'elenco, leggermente davanti a Grade 2 non legato. E le due colonne si muovono sostanzialmente insieme: le leghe alfa-beta sono peggiori sotto entrambi gli aspetti, con Grade 5 a circa un terzo di Grade 2 dal punto di vista elettrico e termico. La corrispondenza non è però esatta riga per riga. Grade 12 ha la resistività più bassa della tabella e una conducibilità termica leggermente inferiore a quella di Grade 2.
Un altro punto da leggere con attenzione: questi sono i dati di una singola pubblicazione e i valori pubblicati per lo stesso grado non concordano tutti. La Beiyu Titanium scheda tecnica Grade 2 riporta da 0.48 a 0.53 microohm-metri, equivalenti a un valore da 48 a 53 nelle unità sopra indicate rispetto al 56 di RMI; la scheda Grade 23 riporta da 168 a 175 rispetto al 165 di RMI. Grade 5 è quello che concorda maggiormente, 170 rispetto a 171. La variabilità deriva dalla purezza all'interno del grado, dallo stato del prodotto e dalla base di misurazione, piuttosto che da un errore di una fonte, e la conducibilità termica si comporta allo stesso modo, motivo per cui la nostra scheda tecnica indica da 16 a 22 W/m·K dove la tabella sopra riporta un unico valore di 20.8.
Questa variabilità è anche l'argomento pratico della pagina. Se una proprietà così fondamentale varia di circa il dieci per cento tra fonti pubblicate autorevoli, un disegno che le impone un limite richiede un valore misurato nell'ordine, non un valore da manuale copiato da una tabella.
Perché i gradi legati sono tre volte peggiori
L'andamento all'interno dei gradi non legati è il primo indizio. I gradi da 1 a 4 differiscono tra loro principalmente per la quantità di ossigeno e ferro ammessa dalla composizione chimica, e la resistività segue in linea generale: 54, 56, 56, 60. La tendenza è generale anziché rigorosa. ASTM B348 consente a Grade 3 più ossigeno rispetto a Grade 2, 0.35 per cent contro 0.25, eppure entrambi sono riportati a 56. Gli atomi di impurità disciolti diffondono gli elettroni di conduzione, che è la spiegazione usuale dell'aumento della resistività con il contenuto di interstiziali e ferro, ma non risolve differenze così piccole.
Grade 5 porta questo meccanismo molto oltre. È titanio con circa il 6 per cento di alluminio e il 4 per cento di vanadio, un contenuto di lega di circa un ordine di grandezza superiore ai livelli residui consentiti da ASTM B348 nel titanio CP, i cui massimi ammontano complessivamente a circa l'1 per cento, ed è bifasico anziché monofasico. Grade 23 è la stessa lega con limiti più restrittivi per gli elementi interstiziali, quantificati da ASTM B348: ossigeno allo 0.13 per cento massimo rispetto allo 0.20 di Grade 5, azoto 0.03 rispetto a 0.05, ferro 0.25 rispetto a 0.40. È una piccola variazione su un elevato contenuto di lega e i dati pubblicati sono coerenti: Grade 23 si attesta a 165 rispetto al 171 di Grade 5, ben lontano da Grade 2. Grade 9, a 126, è il caso intermedio suggerito dalla sua composizione.
In pratica: scegliere tra Grade 2 e Grade 5 per ragioni di resistenza meccanica o alla corrosione modifica anche il comportamento elettrico e termico del pezzo di un fattore tre, e tale variazione viene raramente considerata al momento della scelta del grado.
Dove la conducibilità del titanio è il vantaggio anziché il problema
Una bassa conducibilità non è automaticamente uno svantaggio. Tre applicazioni che gli acquirenti ci sottopongono dipendono direttamente da essa.
| Applicazione | Che cosa determina la resistività | Che cosa significa per l'ordine |
|---|---|---|
| Anodi a corrente impressa | Il titanio è un substrato che conduce corrente a un rivestimento, non la superficie dell'elettrodo stessa. La corrente deve passare dal collegamento attraverso il substrato fino al rivestimento in un metallo con il 3 per cento della conducibilità del rame | Lunghezza, sezione e dettaglio del collegamento contano quanto il grado, e il sistema di rivestimento viene specificato separatamente |
| Saldatura a resistenza di componenti in titanio | Il calore si genera in proporzione alla resistenza e al quadrato della corrente, quindi l'elevata resistività e la bassa conducibilità termica del titanio concentrano il calore nel giunto anziché dissiparlo | Il grado è uno dei dati del programma di saldatura, perché Grade 5 e Grade 2 differiscono di tre volte nella resistività |
| Superfici degli scambiatori di calore | La bassa conducibilità termica è compensata dalle pareti sottili consentite dalla resistenza meccanica e dalla resistenza alla corrosione del titanio | Lo spessore di parete e le dimensioni del tubo fanno parte della risposta termica, non soltanto la scelta del materiale |
Il caso degli anodi è quello a cui gli acquirenti arrivano più spesso da questa domanda. La nostra guida agli anodi in titanio per protezione catodica e la guida agli anodi rivestiti in MMO spiegano come il rivestimento e il substrato si dividono il lavoro. Per l'aspetto termico, la pagina Grade 2 per scambiatori di calore tratta lo spessore di parete.
Che cosa non dirà un certificato del materiale
ASTM B348 per barre e billette, ASTM B265 per lamiere spesse e sottili e ASTM B338 per tubi sono le specifiche secondo cui viene ordinata la maggior parte dei prodotti di stabilimento in titanio. Nessuna di esse specifica la resistività elettrica o la conducibilità termica. Riguardano composizione chimica, proprietà meccaniche e dimensioni, per cui un certificato emesso secondo una qualsiasi di esse non riporterà la proprietà di cui tratta questa pagina.
| Specifica | Forma del prodotto | Occorrenze di “resistività” nel testo | Dove compare “conducibilità” |
|---|---|---|---|
| ASTM B348 | Barra e billetta | Nessuno | Soltanto nel titolo di ASTM E1447, il metodo di determinazione dell'idrogeno citato |
| ASTM B265 | Nastro, lamiera sottile e lamiera spessa | Nessuno | Soltanto nel titolo di ASTM E1447 |
| ASTM B338 | Tubo senza saldatura e saldato | Nessuno | Soltanto nel titolo di ASTM E1447 |
Vale la pena comprendere l'unica occorrenza del termine, perché si presta a una lettura frettolosa errata. ASTM E1447 è il metodo richiamato da queste specifiche per misurare l'idrogeno nella composizione chimica e il suo titolo completo indica la conducibilità termica e il rilevamento a infrarossi come modalità di lettura del gas da parte dello strumento. È una tecnica analitica nell'elenco dei riferimenti, non una proprietà richiesta al materiale. Il metodo per ossigeno e azoto riportato accanto, ASTM E1409, utilizza la fusione in gas inerte senza alcun riferimento alla conducibilità nel titolo. Non esiste neppure un requisito supplementare a cui ricorrere: i requisiti supplementari da S1 a S3 di B265 riguardano la prova di piegamento superficiale, un limite superiore del carico di snervamento e la planarità, nessuno di natura elettrica, mentre B338 e B348 non contengono alcuna sezione sui requisiti supplementari.
È questo il motivo per cui esistono e vengono citati valori da manuale come quelli sopra: sono valori tipici del grado, non valori garantiti per la colata in esame. Per la maggior parte dei pezzi questa distinzione non conta mai. Conta quando un disegno impone un limite alla resistività o alla conducibilità, perché in tal caso non esiste alcuna clausola della specifica del materiale da invocare e la misurazione deve essere concordata nell'ordine d'acquisto insieme al metodo e alla temperatura a cui viene effettuata.
Domande di approfondimento comuni
Il titanio conduce elettricità abbastanza bene da essere usato come conduttore? No. Con circa il 3 per cento IACS per i gradi CP e l'1 per cento per Grade 5, il titanio è un materiale strutturale e resistente alla corrosione che conduce anche elettricità, non un conduttore. Quando un componente in titanio deve trasportare una corrente significativa, aumentarne le dimensioni per compensare comporta la sezione e il peso che il pezzo era stato scelto per evitare, per cui il percorso della corrente viene normalmente risolto separatamente dal componente in titanio.
Il titanio conduce elettricità attraverso il suo strato di ossido? Non facilmente. Il film passivo di biossido di titanio che conferisce al titanio la resistenza alla corrosione è un cattivo conduttore, ed è uno dei motivi per cui i collegamenti elettrici al titanio vengono realizzati su superfici preparate e parte del motivo per cui il titanio non rivestito non viene utilizzato come superficie attiva di un anodo. È anche il motivo per cui una misurazione della resistenza effettuata attraverso una superficie nello stato di ricevimento può fornire un valore molto diverso da quello del materiale massivo.
La resistività dovrebbe determinare la scelta tra titanio e un'altra lega? Raramente. Né il titanio né le leghe inossidabili e di nichel con cui compete sono conduttori, e i valori che li distinguono sono modesti rispetto alle differenze di comportamento alla corrosione, resistenza meccanica e densità che normalmente guidano la scelta. Quando la resistività è effettivamente la proprietà decisiva, va riportata sul disegno come limite anziché in un confronto tra materiali.
La resistività cambia con la temperatura? Sì, e i valori pubblicati sopra sono valori a temperatura ambiente. Per impieghi molto al di sopra o al di sotto della temperatura ambiente occorre indicare la temperatura di interesse, perché un singolo numero a temperatura ambiente non risponde a una domanda sulle alte temperature.
Il titanio è abbastanza conduttivo per realizzare un collegamento equipotenziale o la messa a terra di una struttura? Il titanio trasporta una corrente di equipotenzializzazione, ma due fattori ostacolano il passaggio ed è opportuno distinguerli. La resistività del materiale massivo è il problema minore, pari a 56 microohm-centimetri per Grade 2. Il problema maggiore è l'ossido passivo sulla superficie di contatto, la cui resistenza non è affatto una proprietà del grado e varia in base alla preparazione della superficie. Ecco perché una misurazione del collegamento equipotenziale effettuata su una superficie nello stato di ricevimento fornisce informazioni sulla superficie anziché sul titanio, e perché la preparazione del contatto deve comparire sul disegno insieme a ogni limite di resistenza del collegamento equipotenziale.
Il titanio è magnetico? No, ed è una proprietà separata con un proprio problema di certificazione. La pagina sulla permeabilità la tratta.
Dettagli delle specifiche con fonti
I valori di resistività e conducibilità termica nella tabella sono i valori a temperatura ambiente riportati nella pubblicazione di RMI Titanium Company Guida alle leghe di titanio, gennaio 2000, nella sezione relativa alle proprietà del titanio commercialmente puro e delle leghe di titanio. Il valore di Grade 5 pari a 171 microohm-centimetri è confermato indipendentemente dal manuale NASA Manuale dei dati sui materiali: titanio 6Al-4V preparato nell'ambito del contratto NAS8-26644, che riporta una resistività elettrica di 171 microhms-cm a 20 gradi C nel riepilogo tabellare. La colonna per cento IACS deriva da un calcolo rispetto al valore dell'International Annealed Copper Standard di 1.7241 microohm-centimetri a 20 gradi C, non da un dato pubblicato separatamente. I valori di confronto con quelli di RMI sono quelli riportati nelle schede tecniche Beiyu Titanium Grade 2, Grade 5 e Grade 23 e vengono mostrati senza uniformarli, perché la discordanza tra fonti pubblicate è il punto stesso. I limiti di composizione citati per Grade 5 e Grade 23 provengono dalla tabella dei requisiti chimici di ASTM B348, il cui campo di applicazione comprende barre e billette di titanio e leghe di titanio; le identità di lega del 6 per cento di alluminio e del 4 per cento di vanadio sono le descrizioni che B348 stessa fornisce di questi gradi nelle clausole sul campo di applicazione. Quanto al certificato: nessuna tra ASTM B348, B265 o B338 contiene la parola resistività nel testo e l'unica occorrenza di conducibilità in ciascuna è nel titolo del metodo di prova dell'idrogeno citato, ASTM E1447. Tutte e tre stabiliscono requisiti chimici, meccanici e dimensionali e si fermano lì.
Che cosa inserire nella richiesta
Resistività e conducibilità termica non sono voci del certificato in nessuna delle tre specifiche sopra. Un disegno che riporta un limite richiede quindi che la richiesta contenga quattro elementi che un certificato emesso soltanto secondo quelle specifiche non mostrerà: il limite stesso, il metodo di prova, la temperatura a cui viene effettuata la misurazione e il grado. Con questi quattro elementi, la prova aggiuntiva viene quotata insieme al materiale anziché emergere durante il controllo. I substrati degli anodi ne richiedono altri due, il percorso della corrente e il sistema di rivestimento, perché incidono sul dimensionamento della sezione più della scelta del grado. Beiyu Titanium fornisce titanio Grade 1, 2, 5, 7, 9, 12 e 23 sotto forma di barre, lamiere spesse, lamiere sottili, tubi e pezzi forgiati secondo specifiche ASTM e AMS, con certificato di collaudo 3.1 secondo EN 10204 in base all'ambito dell'ordine. I gradi 3 e 4 compaiono nella tabella sopra per l'andamento che mostrano tra i gradi non legati, non come proposta di fornitura.