„Titanium vs“ nerūdijantis plienas: Kuri medžiaga yra geresnė?

1. Įvadas

Inžinerinių medžiagų srityje, titanas vs Nerūdijantis plienas Dažnai išsiskiria du aukštos kokybės metalai, naudojami įvairiose pramonės šakose.

Jų programos apima kosmoso, medicinos, jūrų, ir vartojimo produktai, Vadinamas jų unikalios mechanikos, Cheminė, ir fizinės savybės.

Šis straipsnis pateikia a Profesionalas, palyginimas su duomenimis iš šių dviejų medžiagų, Siekimas informuoti apie medžiagų atrankos sprendimus su autoritetu ir aiškumu.

2. Cheminė sudėtis & Lydinio sistemos

Suprasti Cheminė sudėtis ir Lydinio sistemos titano ir nerūdijančio plieno yra labai svarbus medžiagų parinkimui,

nes šie veiksniai daro tiesioginę įtaką mechaninėms savybėms, atsparumas korozijai, Šiluminis elgesys, ir apdorojimas.

Titano lydiniai

Paprastai jis naudojamas dviem formomis:

• Komerciškai grynas titanas (1–4 klasės) - Kintantis deguonies kiekis kontroliuoja stiprumą ir lankstumą.
• Titano lydiniai -daugiausia TI-6Al-4V (Pažymys 5), Pramonės darbo arklys.

Nerūdijančio plieno šeimos

Nerūdijantis plienas yra Geležies pagrindu lydiniai su ≥10,5% chromo, formuodamas pasyvų Cr₂o₃ Filmas atsparumui korozijai. Jie yra sugrupuoti pagal mikrostruktūrą:

3. Titano ir nerūdijančio plieno mechaninės savybės

Pasirinkus titano ir nerūdijančio plieno. Žemiau esančioje lentelėje aprašomos svarbiausios dažniausiai naudojamų klasių savybės:

Mechaninių savybių palyginimo lentelė

4. Atsparumas korozijai & Paviršiaus elgesys

Korozijos atlikimas dažnai diktuoja materialinį pasirinkimą reikalaujančioje aplinkoje.

Tiek titanas, tiek nerūdijantis plienas priklauso nuo Pasyvios oksido plėvelės- Jų elgesys smarkiai skiriasi po chloridais, rūgštys, ir pakilusi temperatūra.

Pasyvus filmų formavimas

• Titanas (Tio₂)

• • Akimirksniu formuoja a 2–10 nm storas, Savaiminis oksido sluoksnis
  • Greitai pasuka, jei subraižys - net jūros vandenyje

• Nerūdijantis plienas (Cr₂o₃)

• • Vystosi a 0.5–3 nm Chromo oksido plėvelė
  • Veiksminga oksiduojančioje aplinkoje, tačiau pažeidžiamas ten, kur išeikvojamas deguonis

Pagrindinis taškas: TiO₂ yra stabilesnis nei cr₂o₃, Suteikiantis „Titanium“ puikų pasipriešinimą platesniam korozinės terpės asortimentui.

Našumas agresyvioje aplinkoje

Lokalus jautrumas korozijai

• Duobė & Įtrūkimų korozija

• • Titanas: Duobės potencialas > +2.0 Vs. SCE; Iš esmės imunitetas, naudojant normalią tarnybą.
  • 316 SS: Įterpimo potencialas ~ +0.4 Vs. SCE; įtrūkimų korozija, paplitusi sustingusiuose chloriduose.

• Streso -korozijos įtrūkimas (SCC)

• • Titanas: Praktiškai SCC -Free visose vandeninėse žiniasklaidos priemonėse.
  • Austenitinis SS: Linkęs į SCC šiltas chloridas aplinka (Pvz., aukščiau 60 ° C.).

Paviršiaus procedūros & Dangos

Titanas

• Anodavimas: Sustiprina oksido storią (iki 50 nm), leidžia žymėti spalvą.
• Mikro -lanko oksidacija (Mao): Sukuria a 10–30 µm Keraminis panašus sluoksnis; padidina atsparumą susidėvėjimui ir korozijai.
• Plazmos nitridavimas: Pagerina paviršiaus kietumą ir nuovargį.

Nerūdijantis plienas

• Rūgšties pasyvavimas: Azoto ar citrinos rūgštis pašalina laisvą geležies, sutirštėja Cr₂o₃ Film.
• Elektropolidavimas: Lygina mikroskalės viršūnes ir slėnius, Sumažina plyšių vietas.
• PVD dangos (Pvz., Alavas, Crn): Prideda ploną kietą barjerą, skirtą nusidėvėjimui ir cheminei atakai.

5. Šiluminės savybės & Titano ir nerūdijančio plieno terminas apdorojimas

Šiluminis elgesys daro įtaką medžiagų pasirinkimui komponentams, veikiantiems temperatūros svyravimus arba.

Titano ir nerūdijančio plieno šilumos laidumas labai skiriasi, plėtra, ir gydomumas.

Šilumos laidumas & Plėtra

Šilumos gydomas vs. Neapsaugoti pažymiai

Martensitiniai nerūdijantys plienai yra termiškai apdorojami ir gali būti sukietėję ir grūdinti, kad būtų pasiektos norimos mechaninės savybės.

Austenitiniai nerūdijantys plienai nėra sunkūs termiškai apdoroti, Bet jų jėgas galima padidinti dirbant šaltai.

Duplex plienai suvirinimo metu naudojasi kontroliuojamu šilumos įvestimi, be jokio sukietėjimo.

Titano lydiniai, tokių kaip TI-6Al-4V, gali būti termiškai apdorotas, kad būtų galima optimizuoti jų mechanines savybes, įskaitant sprendimo atkaišimą, senėjimas, ir streso palengvinimas.

Aukštos temperatūros stabilumas & Oksidacija

• Titanas priešinasi oksidacijai iki ~ 600 ° C ore. Už to, Gali atsirasti deguonies difuzijos įkyrimas.
• Nerūdijantis plienas (304/316) lieka stabilus ~ 800 ° C su pertraukomis, su nuolatiniu naudojimu iki ~ 650 ° C..
• Masto formavimas: SS sudaro apsaugines chromijos skales; titano oksidas stipriai prilimpa, Bet storos svarstyklės gali spardyti dviračiu.

6. Gaminimas & Prie „Titanium vs“ nerūdijančio plieno

Formavimas ir apdirbamumas

Austenitiniai nerūdijantys plienai yra labai formuojami ir juos galima lengvai suformuoti naudojant tokius procesus kaip gilus piešinys, antspaudas, ir lenkimas.

Feritiniai ir martensitiniai nerūdijantys plienai turi mažesnį formatavimą. Titanas yra mažiau formuojamas kambario temperatūroje dėl jo didelio stiprumo, Tačiau karšto formavimo būdai gali būti naudojami jo formavimui.

Titano apdirbimas yra sunkesnis nei nerūdijantis plienas dėl mažo šilumos laidumo, Didelė jėga, ir cheminis reaktyvumas, o tai gali sukelti greitą įrankių susidėvėjimą.

Suvirinimo ir litavimo iššūkiai

Nerūdijančio plieno suvirinimas yra nusistovėjęs procesas, Su įvairiomis technikomis. Tačiau, Reikia pasirūpinti, kad būtų išvengta tokių problemų kaip korozija suvirinimo vietoje.

Suvirinimo titanas yra sudėtingesnis, nes jam reikia švarios aplinkos ir inertinių dujų ekranų, kad būtų išvengta užteršimo deguonies, azotas, ir vandenilis, kuri gali pabloginti suvirinimo mechanines savybes.

Brazavimas taip pat gali būti naudojamas abiem medžiagoms, tačiau reikalingi skirtingi užpildymo metalai ir proceso parametrai.

Priedinė gamyba (3D spausdinimas) pasirengimas

Tiek titanas, tiek nerūdijantis plienas yra tinkami priedų gamybai.

„Titanium“ didelis stiprumo ir svorio santykis daro jį patrauklų kosmoso ir medicininėms reikmėms, gaminamoms per 3D spausdinimas.

Nerūdijantis plienas taip pat plačiai naudojamas 3D spausdinime, ypač gaminant sudėtingas vartojimo prekių ir medicinos instrumentų geometrijas.

Paviršiaus apdaila (poliravimas, pasyvavimas, Anodavimas)

Nerūdijantis plienas gali būti nušlifuotas iki aukšto blizgesio, ir pasyvus, kad padidintų jo atsparumą korozijai.

Titanas gali būti šlifuotas ir anoduotas, kad būtų sukurta skirtinga paviršiaus apdaila ir spalvomis, taip pat pagerinti jo koroziją ir atsparumą dėvėjimui.

7. Biologinis suderinamumas & Medicininis vartojimas

Medicininėse programose, Audinių suderinamumas, Korozijos atsparumas kūno skysčiams, ir Ilgalaikis stabilumas Nustatykite medžiagos tinkamumą.

Titano implantų istorija & Osseointegracija

• Ankstyvas įvaikinimas (1950s):

• • „Per-in-ingvar Brånemark“ tyrimai atskleidė, kad kaulų jungtys tiesiogiai su titanu (Osseointegracija).
  • Pirmieji sėkmingi dantų implantai naudojo CP titaną, demonstracija > 90% Sėkmės procentai at 10 metų.

• Osseointegracijos mechanizmas:

• • Gimtoji Tio₂ Paviršiaus sluoksnis palaiko kaulų ląstelių pritvirtinimą ir proliferaciją.
  • Grubūs arba anoduoti paviršiai padidina kaulų ir implantų kontaktinę plotą pagal 20–30%, Stabilumo gerinimas.

• Dabartinis naudojimas:

• • Ortopediniai implantai: Klubo ir kelio sąnariai (Ti -6al -4v Eli)
  • Dantų armatūra: Varžtai, atramos
  • Stuburo įtaisai: Narvai ir strypai

Nerūdijantis plienas chirurginiuose įrankiuose & Laikini implantai

• Chirurginiai instrumentai:

• • 304L ir 316L Nerūdijantys plienai dominuoja skalpeliuose, žnyplės, ir spaustukai dėl lengvumo sterilizacijos ir didelės jėgos.
  • Autoklave ciklai (> 1,000) nesukelkite reikšmingų korozijos ar nuovargio gedimų.

• Laikini fiksavimo įtaisai:

• • Smeigtukai, varžtai, ir pagamintos plokštelės 316L Siūlykite pakankamai stiprumo lūžių taisymui.
  • Pašalinimas viduje 6–12 mėnesių Sumažina susirūpinimą dėl nikelio išleidimo ar sensibilizacijos.

Nikelio alergija

• Nikelio turinys 316L SS: ~ 10–12% svorio
• Nikelio jautrumo paplitimas: Daro įtaką 10–20% gyventojų, sukelia dermatitą ar sistemines reakcijas.

Švelninimo strategijos:

1. Paviršinės dangos: Parilene, keramika, arba PVD kliūtys sumažina nikelio jonų išsiskyrimą iki 90%.
2. Alternatyvūs lydiniai: Naudoti Nikelis - nerūdijantis (Pvz., 2205 Duplex) arba titanas Pacientams, linkusiems į alergiją.

Sterilizacija & Ilgalaikis audinių atsakas

• Titanas eksponatai Minimalus jonų atpalaidavimas (< 0.1 µg/cm² per dieną) ir sukelia a Švelnus užsienio kūno atsakymas, formuodamas ploną, Stabili pluoštinė kapsulė.
• 316L ss Išleidimai lygintuvas, Chromas, Nikelio jonai didesniais tarifais (0.5–2 µg/cm²/diena), potencialiai išprovokuoti vietinį uždegimą retais atvejais.

9. Titano ir nerūdijančio plieno taikymas

Nerūdijantis plienas vs titanas yra plačiai naudojamos inžinerinės medžiagos, žinomos dėl atsparumo korozijai ir stiprumui,

Tačiau jų taikymo laukai labai skiriasi dėl svorio skirtumų, Kaina, Mechaninės savybės, ir biologinis suderinamumas.

Titano programos

Aviacijos ir kosmoso ir aviacijos

• Airkai ir nusileidimo įrankių komponentai
• „Jet“ variklio dalys (Kompresoriaus ašmenys, Korpusai, diskai)
• Erdvėlaivio konstrukcijos ir tvirtinimo detalės
  Pagrindas: Didelis stiprumo ir svorio santykis, Puikus atsparumas nuovargiui, ir atsparumas korozijai ekstremalioje aplinkoje.

Medicinos ir dantų

• Ortopediniai implantai (klubo ir kelio pakaitalai)
• Dantų implantai ir atramos
• Chirurginiai instrumentai
  Pagrindas: Išskirtinis biologinis suderinamumas, netoksiškumas, ir atsparumas kūno skysčiams.

Jūrų ir jūrų jūroje

• Povandeniniai korpusai
• Šilumokaičiai ir kondensatoriaus vamzdeliai jūros vandenyje
• Naftos ir dujų platformos jūroje
  Pagrindas: Aukščiausias atsparumas korozijai chloridų ir sūraus vandens aplinkoje.

Cheminio perdirbimo pramonė

• Reaktoriai, indai, ir vamzdynai, skirti tvarkyti ėsdinančias rūgštis (Pvz., druskos, Sieros rūgštis)
  Pagrindas: Inertiška daugumai chemikalų ir oksiduojančių agentų esant aukštai temperatūrai.

Sportas ir vartojimo prekės

• Aukštos kokybės dviračiai, Golfo klubai, Ir laikrodžiai
  Pagrindas: Lengvas, Patvarus, ir aukščiausios kokybės estetika.

Nerūdijančio plieno programos

Architektūra ir statyba

• Apvalkalas, turėklai, konstrukcinės sijos
• Stogo danga, lifto durys, ir fasadų plokštės
  Pagrindas: Estetinis patrauklumas, atsparumas korozijai, ir struktūrinė jėga.

Maisto ir gėrimų pramonė

• Maisto perdirbimo įranga, cisternos, Ir kriauklės
• Alaus darykla ir pieno įranga
  Pagrindas: Higieninis paviršius, Atsparumas maisto rūgštims, lengva sterilizuoti.

Medicinos prietaisai ir įrankiai

• Chirurginiai instrumentai (skalpeliai, žnyplės)
• Ligoninės įranga ir padėklai
  Pagrindas: Aukštas kietumas, atsparumas korozijai, ir sterilizacijos paprastumas.

Automobilių pramonė

• Išmetimo sistemos, apdaila, ir tvirtinimo detalės
• Degalų bakai ir rėmai
  Pagrindas: Atsparumas korozijai, Formavimas, ir vidutinės išlaidos.

Pramoninė įranga ir cheminis apdorojimas

• Slėgio indai, Šilumokaičiai, ir tankai
• Siurbliai, vožtuvai, ir vamzdynų sistemos
  Pagrindas: Aukštos temperatūros atsparumas ir atsparumas plačiam chemikalų diapazonui.

10. „Titanium vs“ nerūdijančio plieno ar trūkumai

Abu Nerūdijantis plienas ir titanas pasiūlyti puikų atsparumą korozijai ir stiprumui, Bet jie skiriasi tokiose srityse kaip Kaina, svoris, Aparatas, ir biologinis suderinamumas.

Titano pranašumai

• Didelis stiprumo ir svorio santykis
  Titanas yra maždaug 45% Lengvesnis nei nerūdijantis plienas, tuo pačiu siūlant palyginamą ar net geresnį stiprumą.
• Puikus atsparumas korozijai
  Ypač atsparūs chloridams, druskingas vanduo, ir daugelis agresyvių rūgščių - jūrinės ir cheminės aplinkos.
• Aukščiausias biologinis suderinamumas
  Netoksiškas, nereaguojantys su kūno skysčiais-refinuojami medicinos implantuose ir chirurginiame pritaikyme.
• Nuovargis ir atsparumas šliaužiant
  Laikui bėgant gerai veikia cikliniai apkrovos ir aukštos temperatūros stresas.
• Terminis stabilumas
  Išlaiko mechanines savybes esant pakilusiai temperatūrai (>400° C.) Geriau nei dauguma nerūdijančių plienų.

Titano trūkumai

• Didelės išlaidos
  Žaliavos ir perdirbimo išlaidos yra žymiai didesnės nei nerūdijančio plieno (iki 10 × ar daugiau).
• Sunku mašina ir suvirinti
  Žemas šilumos laidumas ir darbu sustingęs elgesys padidina įrankio susidėvėjimą ir reikalauja specializuotų metodų.
• Ribotas lydinių prieinamumas
  Mažiau komercinių pažymių ir lydinio parinkčių, palyginti su nerūdijančio plieno šeima.
• Mažesnis atsparumas dilimui
  Nepadengtomis sąlygomis, Titanas gali gulėti arba nusidėvėti trinties reikalaujančiomis sąlygomis.

Nerūdijančio plieno privalumai

• Ekonomiškai efektyvus
  Plačiai prieinamas ir daug pigesnis nei titanas, ypač tokiose klasėse 304 arba 430.
• Puikus atsparumas korozijai
  Ypač oksiduojančioje aplinkoje ir švelniose rūgštyse; pažymiai kaip 316 „Excel“ chloridų turtinguose nustatymuose.
• Didelis jėga ir tvirtumas
  Gera apkrovos galimybė su kietumu pritaikytomis galimybėmis, ausmingumas, arba jėga.
• Geros gamybos savybės
  Lengvai suvirintas, apdirbta, ir suformuota naudojant standartinius įrankius-ideal gaminti didelę tūrią.
• Universalūs lydiniai ir apdailos
  Dešimtys komercinių pažymių ir paviršiaus apdaila įvairioms reikmėms.

Nerūdijančio plieno trūkumai

• Sunkesnis už titaną
  Beveik 60% tankesnis-netinkamas svoriui jautriems pritaikymams (Pvz., kosmoso, implantai).
• Jautrumas chlorido duobėms
  Ypač žemesnėse klasėse (Pvz., 304) Jūrų ar druskos purškimo aplinkoje.
• Mažesnis biologinis suderinamumas (Kai kurie pažymiai)
  Gali sukelti alergines reakcijas arba išplovimo nikelį-labiau pageidaujamas ilgalaikiuose implantuojamuose prietaisuose.
• Magnetizmas (kai kuriuose klasėse)
  Feritiniai ir martensitiniai nerūdijantys plienai gali būti magnetiniai, kuris galėtų trukdyti jautrioms pritaikymams.

11. Standartai, Specifikacijos & Sertifikavimas

Titano standartai

• ASTM F136: Ti -6al -4v Eli implantams
• AMS 4911: Aviacijos ir kosmoso titanas
• ISO 5832-3: Implantai - neuždengtas titanas

Nerūdijančio plieno standartai

• ASTM A240: Plokštelė, lapas
• ASTM A276: Strypai ir strypai
• Į 10088: Nerūdijančio plieno klasės
• ISO 7153-1: Chirurginiai instrumentai

12. Palyginimo lentelė: „Titanium vs“ nerūdijantis plienas

13. Išvada

Kiekvienas titanas ir nerūdijantis plienas turi aiškių pranašumų. Titanas yra idealus ten, kur lengvas stiprumas, Nuovargio atsparumas, arba biologinis suderinamumas yra kritiški misija.

Nerūdijantis plienas, priešingai, siūlo universalias mechanines savybes, Lengvas gaminimas, ir ekonominis efektyvumas.

Medžiagos pasirinkimas turėtų būti konkrečiam taikomam programai, Atsižvelgiant į ne tik spektaklį, bet ir ilgalaikės išlaidos, Gamyba, ir reguliavimo standartai.

Bendras nuosavybės išlaidų požiūris dažnai atskleidžia tikrąją „Titanium“ vertę, ypač reikalaujančioje aplinkoje.

 

DUK

Yra stipresnis titanas nei nerūdijantis plienas?

Titanas turi aukštesnį specifinė jėga (Stiprumo ir svorio santykis) nei nerūdijantis plienas, Reiškia, jis suteikia daugiau jėgų masės vienetui.

Tačiau, Kai kurie grūdintos nerūdijančio plieno klasės (Pvz., 17-4Ph) gali viršyti titaną absoliučiu tempimo stiprumu.

Yra nerūdijančio plieno magnetinis, o titano nėra?

Taip. Austenitinis nerūdijantis plienas (Pvz., 304, 316) yra nemagnetiniai, Bet Martensitic ir feritas pažymiai yra magnetiniai.

Titanas, priešingai, yra nemagnetinis, todėl tai idealiai tinka tokioms programoms kaip MRT suderinami medicinos prietaisai.

Ar galima suvirinti ir titano, ir nerūdijančio plieno?

Taip, Bet su skirtingais reikalavimais. Nerūdijantis plienas lengviau suvirinti naudojant standartinius metodus (Pvz., Tig, Aš).

Titano suvirinimas reikalauja a Visiškai inertiška atmosfera (Argono ekranavimas) Norėdami išvengti užteršimo ir įkyrių.

Kuri medžiaga yra geresnė aukštos temperatūros programoms?

Nerūdijantis plienas, ypač Šildai atsparūs pažymiai kaip 310 arba 446, gerai veikia esant ilgam aukštai temperatūrai.

Titanas Atsparus oksidacijai iki ~ 600 ° C, bet jos mechaninės savybės pablogėja už tai.

Ar titanas ir nerūdijantis plienas gali būti naudojamas kartu su rinkiniuose?

Patariama atsargiai. Galvaninė korozija gali atsirasti, kai titanas ir nerūdijantis plienas liečiasi esant elektrolitui (Pvz., vanduo), ypač jei nerūdijantis plienas yra anodinė medžiaga.