Nel mercato altamente competitivo di oggi, ogni settore è alla ricerca di modi innovativi per portare i prodotti sul mercato in un breve periodo di tempo. Di conseguenza, un progettista o un macchinista può scegliere di lavorare il metallo in modo economicamente vantaggioso e massimizzare i profitti. Considerando il rispetto dei requisiti di progettazione, è particolarmente importante ridurre al massimo il costo totale. Quando i progettisti intendono utilizzare metalli leggeri per la prototipazione o parti personalizzate, vengono in mente due materiali metallici popolari: titanio e alluminio. Il titanio e l'alluminio hanno un rapporto resistenza/peso simile, resistenza alla corrosione e altre proprietà eccellenti e sono ampiamente utilizzati in vari campi. Forse hai domande a riguardo: "Il titanio è più leggero dell'alluminio?" oppure “Il titanio è migliore dell’alluminio in tutte le sue proprietà?” “Titanio o alluminio, quale materiale è più adatto al mio progetto CNC” e così via. Per aiutarti a rispondere a queste domande, AN-Prototipo fornisce una panoramica completa dei vantaggi e degli svantaggi di entrambi i materiali in base ad anni di esperienza Lavorazione CNC esperienza.
Il titanio ha all'incirca la stessa densità dell'alluminio, è più forte dell'alluminio e ha un'eccellente resistenza alla corrosione in vari ambienti, inclusa l'acqua di mare e le soluzioni acide. Grazie al suo eccellente rapporto resistenza/peso e alla resistenza alla corrosione, il titanio è ampiamente utilizzato in settori quali quello aerospaziale, automobilistico, navale, medico e sportivo. Il titanio è un materiale ideale per la produzione di componenti di aeromobili, parti di veicoli spaziali, componenti di motori e attrezzature sportive ad alte prestazioni. Allo stesso tempo, il titanio ha un’eccellente biocompatibilità, è atossico e ipoallergenico, il che lo rende adatto alla produzione di impianti medici, protesi, protesi del ginocchio, pacemaker, placche craniche e persino dispositivi radicolari per impianti dentali. Quindi, per le applicazioni mediche, il titanio è più resistente dell’alluminio.
- Punto di fusione – 1668 C
- Punto di ebollizione – 3287 C
- Densità – 4.506 g·cm−3
- Conduttività termica – 21.9 W m-1 K-1
- 45% più leggero dell'acciaio e 60% più pesante dell'alluminio
- Resistenza alla trazione – da 3,000 psi a 200,000 psi a seconda della lega
- Coefficiente di dilatazione termica lineare – 8.6 x 10-6 K-1 (metà di quello dell'alluminio)
Vantaggi del titanio
- Eccellente durata
- Rapporto resistenza/densità più elevato
- Alternativa in acciaio più preferita
- Ruggine e resistente alla corrosione
- Adatto a molti prodotti
- Elevata resistenza alle condizioni stressanti
Svantaggi del titanio
- Basso modulo elastico
- Costo più alto dell'alluminio
- A causa dell'elevata resistenza sono necessarie forze di taglio elevate
Panoramica dell'alluminio
L’alluminio è una scelta economica, un metallo leggero e duttile che offre un buon rapporto peso/resistenza a un prezzo relativamente basso. Ha una bassa densità, pesa solo un terzo dell'acciaio e ha una buona resistenza alla corrosione e un'elevata tenacità alla frattura. Il suo aspetto argento scuro è dovuto alla formazione di un sottile strato di ossido di alluminio non appena l'alluminio viene esposto all'aria. Questo è il motivo della sua resistenza alla corrosione. È importante sottolineare che l’alluminio è più abbondante del titanio, ma ciò che fa davvero scendere il prezzo è la facilità di produzione dell’alluminio. Oltre a ciò, l’alluminio è un migliore conduttore di calore ed elettricità rispetto al titanio. Per le applicazioni elettriche, l'alluminio è più resistente del titanio.
- Punto di fusione – 660.4 C
- Punto di ebollizione – 2467 C
- Conduttività termica – 235 W m-1 K-1
- Densità – 2.7 g.cm -3 (circa 1/3 di acciaio o rame, quindi più leggero)
- Coefficiente di dilatazione termica lineare – 23.1 x 10-6 K-1
- Resistenza alla trazione – L’alluminio puro non ha un’elevata resistenza alla trazione, motivo per cui è spesso legato ad altri metalli
Vantaggi dell'alluminio
- Opzione più economica
- Inodore e impermeabile
- Riflettività e flessibilità
- Resistenza alla corrosione
- Elevata lavorabilità e riciclabilità
- Elevata conducibilità termica ed elettrica
Svantaggi dell'alluminio
- Il processo di saldatura è difficile
- Si corrode rapidamente in acqua salata o in ambienti alcalini
Confronto completo tra titanio e alluminio
Confrontiamo le proprietà del titanio e dell'alluminio.
1. Titanio e alluminio: composizione elementare
Il simbolo del titanio nella tavola periodica degli elementi è Ti, e il suo numero atomico è 22. Il principale elemento legante del titanio è l'alluminio; altri elementi come vanadio, ferro e molibdeno possono essere aggiunti anche per formare leghe di titanio.
Il simbolo dell'alluminio nella tavola periodica degli elementi è Al, e il numero atomico è 13. Il principale elemento legante dell'alluminio è il magnesio e possono essere aggiunte anche diverse quantità di silicio, zinco, manganese, rame, ferro, titanio, cromo, zirconio e altri elementi.
La composizione chimica del titanio e delle leghe di alluminio può essere personalizzata per ottimizzarne le prestazioni per applicazioni specifiche. Ad esempio, l’aggiunta di vanadio al titanio può migliorarne la resistenza e la duttilità; l'aggiunta di magnesio può migliorare la robustezza dell'alluminio e la sua resistenza alla corrosione. Pertanto, la composizione chimica gioca un ruolo importante nel determinare le proprietà e l'idoneità di queste leghe per vari compiti.
2. Titanio e alluminio: resistenza alla corrosione
La resistenza alla corrosione è la capacità di un metallo di resistere al deterioramento attraverso reazioni chimiche con l'ambiente. I principali fattori che influenzano la resistenza alla corrosione sono la composizione della lega, le condizioni ambientali e la finitura superficiale.
Il titanio è noto per la sua eccellente resistenza alla corrosione dovuta allo strato di ossido altamente stabile che si forma naturalmente sulla sua superficie. Questo strato di ossido può resistere a vari ambienti corrosivi come acqua di mare, acidi e alcali. Un rivestimento di ossido altamente adesivo sulla sua superficie previene efficacemente un ulteriore deterioramento.
Tuttavia, l'alluminio forma anche uno strato di ossido sulla sua superficie e presenta anche una buona resistenza alla corrosione. Sfortunatamente, lo strato di ossido di alluminio è molto più sottile e ha un'adesione relativamente scarsa rispetto allo strato di ossido di titanio, rendendolo più suscettibile ai danni derivanti da ambienti corrosivi ed esponendo il metallo sottostante alla corrosione.
Le condizioni ambientali influenzano anche la resistenza alla corrosione di entrambi i metalli. Ad esempio, il titanio è altamente resistente alla corrosione causata dai cloruri, rendendolo ideale per gli ambienti marini. L’alluminio, d’altro canto, è meno resistente alla corrosione causata dai cloruri e può richiedere ulteriori rivestimenti o trattamenti protettivi per rimanere protetto.
La finitura superficiale è un altro fattore chiave nella resistenza alla corrosione. Le superfici ruvide o danneggiate possono creare crepe e altri potenziali terreni che favoriscono la corrosione. Il titanio ha un'eccellente resistenza ai danni superficiali ed eccellenti proprietà di trattamento superficiale, che lo rendono meno suscettibile alla corrosione rispetto all'alluminio.
3. Titanio e alluminio: conduttività elettrica
La conduttività si riferisce alla capacità di un materiale di consentire la caduta del potenziale elettrico, consentendo agli elettroni di fluire. In generale, per determinare la conduttività elettrica di un determinato materiale a livello internazionale, il rame viene solitamente utilizzato come punto di riferimento per valutare la conduttività elettrica.
Confrontando la conduttività elettrica del titanio e del rame, si è riscontrato che il titanio ha circa il 3.1% della conduttività elettrica del rame. Pertanto, il titanio è un conduttore di elettricità, ma non può essere utilizzato in applicazioni in cui è richiesta una buona conduttività elettrica. Sebbene il titanio non conduca bene l’elettricità, agisce come un buon resistore. L'alluminio, invece, ha il 64% della conduttività del rame. Ciò significa che l’alluminio è preferito al titanio nelle applicazioni che richiedono conduttività elettrica.
4. Titanio e alluminio: conduttività termica
La conduttività termica di un materiale è la sua capacità di trasferire o condurre il calore. La conduttività termica può anche essere intesa come la velocità di conduzione nel tempo attraverso lo spessore unitario e il materiale unitario sotto un gradiente di temperatura unitario. Per essere adatti alle applicazioni termiche, i materiali devono avere un'elevata conduttività termica e i materiali con bassa conduttività termica sono buoni isolanti.
Il titanio ha una conduttività termica di 118 BTU-in/hr-ft²-°Fm (17.0 W/mK), mentre l'alluminio ha una conduttività termica fino a 1460 BTU-in/hr-ft²-°F (210 W/mK) . In termini di conduttività termica, l’alluminio è più di dieci volte quella del titanio. Pertanto, l’alluminio è più resistente del titanio nelle applicazioni che richiedono dissipazione del calore.
5. Titanio e alluminio: punto di fusione
Il punto di fusione di un metallo si riferisce alla temperatura alla quale il metallo inizia a trasformarsi da solido a liquido. Al punto di fusione, le fasi solida e liquida di un metallo esistono in equilibrio. Una volta raggiunto questo livello di temperatura, il metallo può essere facilmente modellato.
Il titanio ha un punto di fusione di 1650 – 1670 °C (3000 – 3040 °F), motivo per cui viene utilizzato come metallo refrattario. L'alluminio, d'altra parte, ha un punto di fusione inferiore di 660.37 °C (1220.7 °F) rispetto al titanio. Pertanto, il titanio è più adatto nelle applicazioni resistenti al calore.
6. Titanio e alluminio: durezza
La durezza di un metallo si riferisce alla sua risposta all'incisione, all'ammaccatura, alla deformazione o al graffio lungo la sua superficie. Il titanio ha una durezza Brinell di 70 HB, che è molto maggiore dei 15 HB dell'alluminio puro, ma alcuni gradi di leghe di alluminio sono più duri del titanio. Gli esempi includono la tempra di alluminio 7075 T7 e T6, la tempra di alluminio 6082 T5 e T6, ecc.
Il titanio, d'altra parte, si deforma facilmente se graffiato o rientrato. Tuttavia, il titanio crea una superficie eccezionalmente dura formando uno strato di ossido che resiste alla maggior parte delle deformazioni. Nelle applicazioni in cui la durezza è uno dei requisiti principali, la selezione si basa sui requisiti specifici del progetto, tenendo conto dei costi.
7. Titanio e alluminio: densità
Il titanio e l'alluminio sono entrambi metalli leggeri. La densità dell'alluminio (2712 kg/m 3) è inferiore a quella del titanio (4500 kg/m 3). L'alluminio pesa molto meno per unità di volume rispetto al titanio. Tuttavia, è necessaria una quantità minore di titanio per ottenere una resistenza fisica paragonabile a quella dell’alluminio. Questo è il motivo per cui il titanio viene utilizzato nei motori a reazione degli aerei e nei veicoli spaziali. Il titanio è noto per ridurre i costi del carburante grazie alla sua leggerezza e resistenza.
Per alcune applicazioni, il titanio o l'alluminio sono la scelta migliore. Ad esempio, il titanio viene utilizzato laddove il rapporto resistenza/peso rappresenta un problema, mentre l’alluminio viene utilizzato laddove è richiesta solo la leggerezza.
8. Titanio e alluminio: prezzo
Confrontando aste dello stesso volume, il costo delle aste in alluminio è inferiore a quello delle aste in titanio. Questo perché produrre il titanio richiede maggiori difficoltà e competenze, mentre l’alluminio è più facile da produrre. Dal punto di vista dei costi, l’alluminio è più economico del titanio.
9. Titanio e alluminio: durevolezza
La durabilità di un materiale si riferisce alla sua capacità di mantenere la propria funzionalità quando messo a dura prova senza richiedere riparazioni o manutenzione eccessive. Sia il titanio che l'alluminio sono noti per essere durevoli e durare più a lungo. Il titanio è estremamente resistente e durevole e, se adeguatamente curato, il suo telaio può durare per decenni senza mostrare alcun segno di usura.
L’alluminio, d’altro canto, ha dimostrato la sua durabilità anche in ambienti estremi, soprattutto dove resistenza, sicurezza e durata sono fondamentali.
10. Titanio e alluminio: lavorabilità
La lavorabilità si riferisce al modo in cui un metallo risponde alle sollecitazioni di lavorazione (inclusi stampaggio, Tornitura CNC, fresatura CNC, eccetera.). La lavorabilità di un metallo è uno degli indicatori utilizzati per determinare quale metodo di lavorazione utilizzare. La tornitura e la fresatura CNC sono metodi popolari per creare parti in titanio e alluminio. Possono essere prodotti in meno di un giorno e rispettano tolleranze di +/- 0.005 pollici (0.13 mm). Quando le parti devono essere prodotte rapidamente, l’alluminio è la scelta perfetta poiché è più economico e di alta qualità.
Tuttavia, quando si tratta di geometrie, i metodi di lavorazione possono essere alquanto restrittivi. Indipendentemente dal materiale scelto, progetti estremamente complessi richiedono soluzioni diverse. Un altro fattore da considerare nella scelta dei materiali sono gli scarti post-lavorazione. Pertanto, fresare via il materiale in eccesso è fattibile con l’alluminio economico, ma non è l’ideale con il costoso titanio. Pertanto, i produttori rapidi spesso preferiscono utilizzare l’alluminio per i prototipi e poi passare al titanio per le parti di produzione.
11. Titanio e alluminio: formabilità
Relativamente parlando, l’alluminio è più facile da modellare rispetto al titanio. Tutte le forme di alluminio possono essere facilmente trasformate in parti finite utilizzando una varietà di metodi. Ad esempio, è possibile utilizzare diversi tipi di seghe per tagliare profili in alluminio, mentre laser, plasma o getti d'acqua possono produrre parti in alluminio con forme e forme complesse. Sebbene anche il titanio sia formabile, non è formabile quanto l'alluminio. Pertanto, quando la formabilità è fondamentale per il successo di un progetto, l’alluminio è la scelta perfetta.
12. Titanio e alluminio: saldabilità
Sia il titanio che l'alluminio possono essere saldati. In confronto, la saldatura del titanio richiede più esperienza. L’alluminio, invece, è altamente saldabile e ha molteplici usi. Pertanto, se la saldabilità è uno dei requisiti principali nella scelta dei materiali, l’alluminio sarebbe una scelta perfetta.
13. Titanio e alluminio: limite di snervamento
Il carico di snervamento di un materiale si riferisce allo stress massimo al quale il materiale inizia a deformarsi in modo permanente. Il titanio commercialmente puro (>99% Ti) è un metallo di resistenza da bassa a media non adatto alla produzione di strutture o motori di aeromobili.
L'alluminio puro, d'altra parte, presenta limiti di snervamento che vanno da 7 MPa fino a circa 11 MPa, mentre le leghe di alluminio mostrano limiti di snervamento che vanno da 200 MPa fino a 600 MPa. Pertanto, il limite di snervamento delle leghe di alluminio è superiore a quello del titanio.
14. Titanio e alluminio: resistenza alla trazione
La resistenza alla trazione di un metallo si riferisce allo stress più elevato che un materiale può sopportare quando posto in tensione. La resistenza alla trazione ultima del titanio e delle sue leghe a temperatura ambiente varia da 230 MPa per i gradi più morbidi di titanio commercialmente puro a 1400 MPa per le leghe ad alta resistenza.
Le leghe di alluminio, d'altro canto, presentano una resistenza molto più elevata rispetto all'alluminio puro. L'alluminio puro ha una resistenza alla trazione di 90 MPa, che può essere aumentata fino a oltre 690 MPa per alcune leghe di alluminio trattabili termicamente.
15. Titanio e alluminio: resistenza al taglio
La resistenza al taglio di un metallo si riferisce alla capacità del metallo di resistere ai carichi di taglio. Il titanio ha una resistenza al taglio compresa tra 40 e 45 MPa, mentre l'alluminio ha una resistenza al taglio compresa tra 85 e circa 435 MPa. Pertanto, se la resistenza al taglio è uno dei motivi principali per la scelta del materiale, alcuni gradi di alluminio potrebbero essere preferibili al titanio.
16. Titanio e alluminio: colore
Quando si distingue o si differenzia tra titanio e alluminio, identificare il colore è il modo più economico. Ciò aiuterà a identificare rapidamente i materiali a occhio nudo per evitare di utilizzare il metallo sbagliato nel tuo progetto. Per differenziarsi, l'alluminio ha un aspetto bianco-argenteo, con colori che vanno dall'argento al grigio scuro a seconda degli elementi di lega del materiale. Per le superfici in alluminio più lisce, l'aspetto è solitamente argentato. Il titanio, invece, ha un aspetto argenteo che diventa più scuro sotto la luce.
Tabella comparativa riassuntiva
Siamo stati in grado di fare un confronto ragionevole tra titanio e alluminio utilizzando circa 16 proprietà al fine di ottenere approfondimenti professionali sull'utilizzo del materiale giusto per il vostro progetto CNC.
Immobili | Titanio | Alluminio |
Numeri atomici | Il numero atomico di s è 22 o 22 protoni | Il numero atomico di s è 13 o 13 protoni |
Massima resistenza alla trazione (UTS) | Possiede una resistenza alla trazione fino a 1170 MPa | Ha una resistenza massima di 310 MPa |
punto di fusione | Il titanio fonde a 1650 – 1670 ᵒC | L'alluminio fonde a 582 – 652 ᵒC |
Conduttività elettrica | Il titanio ha un alluminio a bassa conduttività elettrica | m presenta un'eccellente conduttività elettrica |
Magneticità | È paramagnetico | Non è magnetico |
Forza | Ha il doppio della resistenza dell'alluminio | Ha una resistenza inferiore rispetto al titanio |
Conduttività termica | Bassa conduttività termica elevata | h conduttività termica |
Alluminio VS Titanio, quale materiale scegliere?
Forza e durata. Il titanio è più resistente e durevole dell'alluminio e ha un rapporto resistenza/peso più elevato, il che significa che può resistere a impatti più violenti senza aggiungere peso in modo significativo. Ciò rende il titanio una buona scelta per gli ingranaggi che devono essere durevoli e in grado di resistere agli urti, all'usura e agli ambienti più difficili.
Resistenza alla corrosione. Il titanio è altamente resistente alla corrosione, il che lo rende ideale per attrezzature da esterno esposte a umidità, umidità e altri fattori ambientali che possono causare ruggine o degrado. Tuttavia, l’alluminio è anche naturalmente resistente alla corrosione. Inoltre, l'alluminio può essere anodizzato o rivestito per fornire ulteriore resistenza alla corrosione. In questo caso, entrambi hanno la stessa resistenza alla corrosione, ma il titanio è il metallo superiore quando si considerano resistenza e integrità.
Peso. L'alluminio è molto più leggero del titanio. Tuttavia, il titanio è ancora un materiale leggero che offre resistenza e durata eccellenti senza aggiungere troppo peso. Le scelte qui richiedono dei compromessi. Se il problema è puramente peso, allora l’alluminio è una scelta chiara, ma se si considerano anche longevità e resistenza/integrità, il titanio è la scelta più ragionevole.
Vita del prodotto. La durata media degli attrezzi da esterno in alluminio è di circa 5-15 anni. Gli ingranaggi in titanio sono più forti, più durevoli e durano più a lungo. Naturalmente, ci sono eccezioni per ogni materiale, ma in generale gli ingranaggi in titanio dureranno per decenni, mentre gli ingranaggi in alluminio dovranno essere sostituiti più frequentemente.
Costo. Gli ingranaggi in alluminio sono sempre più economici. Il titanio è un materiale più difficile da lavorare rispetto all’alluminio e quindi più costoso da produrre. L'alluminio è altamente lavorabile e può essere facilmente tagliato, modellato e modellato in forme e disegni complessi. In confronto, le leghe di titanio sono più difficili. Ciò fa aumentare il prezzo del titanio, che è davvero un fattore importante da considerare per i clienti.
Conclusione
Il titanio e l'alluminio sono due materiali metallici importanti nella prototipazione. Le proprietà dell'alluminio e del titanio li rendono una scelta versatile per applicazioni in molti settori diversi. Questo articolo mette a confronto le diverse proprietà del titanio e dell'alluminio. Ci sono anche vari fattori da considerare prima di scegliere questi metalli. Dai un'occhiata alla nostra guida definitiva su Lavorazione CNC del titanio e Lavorazione CNC alluminio. Se hai bisogno di ulteriore aiuto, AN-Prototype è pronto ad aiutarti. Vi preghiamo di contattarci immediatamente.