تیتانیوم در برابر استیل؛ کدام یک مقاوم‌تر است؟

ساختار شیمیایی و ریزساختار میکروسکوپی

برای درک بهتر تفاوت استیل با تیتانیوم، نیاز است تا با دسته‌بندی‌های آلیاژهای استیل و تیتانیوم آشنا شویم. استنلس استیل به پنج دسته اصلی تقسیم می‌شود: آستنیتی، فریتی، مارتنزیتی، داپلکس و رسوب سخت‌شونده (Precipitation-Hardening).

• استیل آستنیتی (سری 300 و 200): بیشترین سهم تولید مربوط به گریدهای آستنیتی است. این آلیاژها  غیرقابل سخت‌شدن با عملیات حرارتی هستند و مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند و قابلیت شکل‌پذیری آن‌ها خوب است و در اغلب موارد غیرمغناطیسی نیز هستند.
• استیل فریتی: مقاومت خوردگی این آلیاژها کمتر از گریدهای آستنیتی است. آلیاژهای فریتی خواص مغناطیسی دارند و در دماهای بالا مقاومت به خزش خوبی از خود نشان می‌دهند.
• استیل مارتنزیتی: این آلیاژها قابلیت سخت‌شدن با عملیات حرارتی دارند. با وجود سختی و مقاومت سایشی بالا، مقاومت خوردگی کمتری نسبت به گریدهای آستنیتی دارند.
• استیل داپلکس: ترکیبی از فاز آستنیت و فریت هستند که سبب ایجاد ترکیبی از خواص خوردگی و مکانیکی خوب می‌شود.
• استیل رسوب سخت شونده: گریدهایی مانند استیل 17/4PH با قابلیت عملیات حرارتی و تشکیل رسوب ذرات فاز ثانویه در ماتریس زمینه، استحکام و مقاومت به سایش فوق‌العاده‌ای دارند.

آلیاژهای تیتانیوم نیز به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند: تیتانیوم خالص تجاری، آلفا-بتا و بتا.

• تیتانیوم خالص تجاری (Commercially Pure Titanium): گریدهای 1، 2، 3 و 4 تیتانیوم با خلوص 99 تا 99.99% گریدهای خالص تجاری هستند. این آلیاژها خواص مکانیکی متوسط اما مقاومت خوردگی عالی دارند.
• آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا (Ti-6Al-4V): رایج‌ترین آلیاژ صنعتی تیتانیوم هستند که نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت خوردگی مناسبی دارند.
• آلیاژهای تیتانیوم بتا: این آلیاژها تحمل بار دینامیکی و مقاومت به خزش بالایی دارند و برای کاربردهای مهندسی پیشرفته مناسب هستند.

تفاوت‌های تیتانیوم با استنلس استیل

همانطور که گفتیم تفاوت استیل با تیتانیوم را می‌توان از جنبه‌های مختلف بررسی کرد. در این قسمت تفاوت استیل با تیتانیوم را معرفی می‌کنیم:

• • چگالی و وزن: تیتانیوم چگالی حدود 4.51 گرم بر سانتی‌متر مکعب دارد که تقریبا 45٪ سبک‌تر از استنلس استیل است. استنلس استیل: چگالی محدوده 7.75 تا 8.1 گرم بر سانتی‌متر مکعب، سنگین‌تر اما در بسیاری از کاربردها استحکام بالاتر یا مشابه را ارائه می‌دهد.
  • نقطه ذوب و جوش: تیتانیوم نقطه ذوب حدود 1168 درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش 3287 درجه سانتی‌گراد دارد، که آن را برای کاربردهای دمای بالا مطلوب می‌سازد. استنلس استیل نقطه ذوبی بین 1370 تا 1530 درجه سانتی‌گراد بسته به گرید آن دارد. استیل نقطه جوش شفافی ندارد؛ در دماهای بالا قابلیت حفظ خواص استیل محدودتر از آلیاژهای تیتانیوم است.
  • خواص مکانیکی: مقاومت تیتانیوم و استیل بسته به گرید هر آلیاژ متفاوت است. به همین دلیل برای بررسی تفاوت استیل با تیتانیوم در خواص مکانیکی بهتر است از هرکدام پرکاربردترین گریدها را معرفی کنیم. مقاومت کششی و نسبت استحکام به وزن تیتانیوم آلیاژی (Ti-6Al-4V) حدود 900 تا 1200 مگاپاسکال است. استنلس استیل 304 مقاومت کششی حدود 515 تا 750 مگاپاسکال دارد که در حالت نورد شده و فول هارد می‌تواند حدود 1100 مگاپاسکال استحکام داشته باشد.
    با توجه به میزان استحکام و چگالی این دو آلیاژ می‌توان گفت نسبت استحکام به وزن تیتانیوم به طور میانگین دو برابر استنلس استیل است که سبب کاربرد آن در هوافضا و تولید خودروهایی با وزن کم برای مسابقات می‌شود.

• مدول الاستیسیته و سختی: مدول الاستیسیته استنلس استیل حدود 200 تا 210 گیگاپاسکال و سختی بین 20 تا 40 HRC با توجه به گرید دارد. مدول الاستیسیته  تیتانیوم حدود 110 تا 120 گیگاپاسکال و سختی بین 30 تا 40 HRC دارد. مدول الاستیک پایین‌تر تیتانیوم انعطاف‌پذیری بیشتری ایجاد می‌کند ولی ممکن است در برخی سازه‌ها تحت بارگذاری استاتیک بزرگ، خزش بیشتری داشته باشد.
• شکل‌پذیری و چقرمگی: استنلس استیل چقرمگی و شکل‌پذیری عالی در دماهای اتاق و قابلیت شکل‌دهی دما بالای بسیار مناسبی دارد. تیتانیوم شکل‌پذیری مناسبی ندارد و نسبت به آلیاژهای استنلس استیل علی الخصوص گریدهای آستنیتی شکل‌پذیری کمتری دارد.
• مقاومت به تردی هیدروژنی: یکی از موارد مهم در تفاوت استیل با تیتانیوم مقاومت در برابر ترک هیدروژنی است. استنلس استیل نسبت به تردی هیدروژنی مقاوم است. علت این مقاومت به دلیل وجود کروم و نیکل است که جذب هیدروژن را کاهش می‌دهند. در آلیاژهای تیتانیوم در صورت وجود هیدروژن حتمال تردی هیدروژنی بالاتر است که ممکن است منجر به ترک‌های شکننده شود. کنترل جوشکاری و عملیات حرارتی برای این آلیاژها ضروری است.
• مقاومت در برابر خوردگی: برای درک تفاوت استیل با تیتانیوم در مقاومت به خوردگی بهتر است که مکانیزم‌های اکسیداسیون در این دو آلیاژ را بدانیم. تیتانیوم در تماس با اکسیژن فوراً لایه اکسید تیتانیوم (TiO₂) می‌سازد که بسیار متراکم، پایدار و چسبنده است. این لایه ضخامت کمی دارد اما خودترمیم‌گر است و حتی در خراش‌های جزئی مجددا بازسازی می‌شود. مکانیزم مقاومت در برابر خوردگی در استنلس استیل با تشکیل لایه اکسید کروم (Cr₂O₃) صورت می‌گیرد و این لایه از خوردگی و اکسیداسیون آهن جلوگیری می‌کند.

مقاومت استنلس استیل در محیط‌های مختلف

همنطور که گفتیم، استنلس استیل با حداقل 10.5٪ کروم لایه‌ی اکسید کروم ایجاد می‌کند که لایه‌ای غیر فعال است و با هوا و مواد خورنده واکنش نمی‌دهد. این لایه در محیط‌های معمولی مانند آب و هوا بسیار کارآمد است، اما در محیط‌های کلریدی (آب شور، اسیدهای کلریدی) ممکن است دچار خوردگی حفره‌ای شود. با افزودن مولیبدن (در گرید 316) مقاومت به این نوع خوردگی افزایش می‌یابد.

 قابلیت ماشین‌کاری و فرآیند تولید

دیگر تفاوت استیل با تیتانیوم در فرآیندهای تولیدی آن‌ها مشاهده می‌شود. گریدهای آستنیتی استنلس استیل بسیار جوش‌پذیر هستند و می‌توان آن‌ها را با انواع روش‌های مختلف، جوشکاری کرد و پس‌جوشکاری کاهش مقاومت در برابر خوردگی در آن‌ها رخ نمی‌دهد. هرچند برخی از گریدهای فریتی و مارتنزیتی نیازمند کنترل پیش‌گرمایش و پس‌گرمایش هستند. جوشکاری تیتانیوم به دلیل جذب اکسیژن و نیتروژن در دمای بالا دشوار است. این آلیاژها نیازمند جوشکاری در اتمسفر محافظ با آرگون خالص و کنترل دقیق حرارتی هستند (جوشکاری TIG با گاز آرگون).

کاربردهای آلیاژهای تیتانیوم و استیل

• صنایع هوافضا: تیتانیوم به ویژه (Ti-6Al-4V) در قطعات باربری هواپیما، بدنه موشک و قطعات موتور جت به‌خاطر نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت حرارتی عالی کاربرد دارد. استنلس استیل در قطعات سازه‌ای اصلی کمتر کاربرد دارد اما در سیستم‌های اگزوز مصرف می‌شود.
• صنایع پزشکی: آلیاژهای تیتانیوم به‌خاطر زیست‌سازگاری، خوردگی کم و وزن سبک در ایمپلنت‌های ارتوپدی، دندان‌پزشکی و قلبی کاربرد دارند. استنلس استیل 316L نیز در برخی ایمپلنت‌های موقت و ابزار جراحی استفاده می‌شود. گریدهای دیگری از استیل نیز در ساخت تیغ‌های جراحی، میز جراحی، ظروف بیمارستانی و … کاربرد دارند.
• صنایع شیمیایی و دریایی: تیتانیوم به‌دلیل مقاومت عالی در برابر اسیدها و کلریدها در مبدل‌های حرارتی، پمپ‌ها و لوله‌های فرآیندی به‌کار می‌رود. گریدهای استیل داپلکس و 316L نیز در این صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• صنایع غذایی و دارویی: استنلس استیل به‌خاطر قابلیت تمیزکاری آسان و مقاومت به خوردگی در دستگاه‌های پردازش غذا، تانک‌های ذخیره‌سازی و تجهیزات دارویی گسترده کاربرد دارد. استفاده از تیتانیوم در این صنعت محدود به تجهیزاتی است که نیاز به وزن کم یا خوردگی شدید باشد.

سخن آخر

در پایان، با توجه به تفاوت استیل با تیتانیوم انتخاب میان این دو مستقیما به نوع کاربرد، شرایط محیطی و الزامات فنی پروژه بستگی دارد. اگر به‌دنبال مقاومت بالاتر در برابر خوردگی و وزن کمتر هستید، تیتانیوم گزینه‌ای برتر است؛ اما اگر استحکام بالا در کنار هزینه‌ی مناسب‌تر مدنظر باشد، استنلس استیل همچنان انتخابی قابل‌اتکا خواهد بود. در نهایت، هر دو گروه آلیاژ در جایگاه خود بی‌رقیب‌اند. تفاوت‌های تیتانیوم با استیل سبب می‌شود تا برای انتخاب بین دو آلیاژ با دقت بیشتری به خواص آن‌ها و کاربرد مورد نیاز نگاه بیاندازیم.