In de huidige zeer competitieve markt is elke sector op zoek naar innovatieve manieren om producten binnen een korte tijd op de markt te brengen. Als gevolg hiervan kan een ontwerper of machinist ervoor kiezen om metaal kosteneffectief te bewerken en de winst te maximaliseren. Op basis van het overwegen om aan de ontwerpvereisten te voldoen, is het vooral belangrijk om de totale kosten zo veel mogelijk te verlagen. Wanneer ontwerpers van plan zijn lichtgewicht metalen te gebruiken voor prototyping of op maat gemaakte onderdelen, komen twee populaire metalen materialen in me op: titanium en aluminium. Titanium en aluminium hebben een vergelijkbare sterkte-gewichtsverhouding, corrosieweerstand en andere uitstekende eigenschappen en worden veel gebruikt op verschillende gebieden. Misschien heb je hier vragen over: “Is titanium lichter dan aluminium?” of “Is titanium in alle eigenschappen beter dan aluminium?” “Titanium of aluminium, welk materiaal is het meest geschikt voor mijn CNC-project” enzovoort. Om u te helpen deze vragen te beantwoorden, AN-prototype geeft een uitgebreid overzicht van de voor- en nadelen van beide materialen op basis van jarenlange ervaring CNC-bewerking ervaring.
Titanium heeft ongeveer dezelfde dichtheid als aluminium, is sterker dan aluminium en heeft een uitstekende weerstand tegen corrosie in verschillende omgevingen, inclusief zeewater en zure oplossingen. Vanwege de uitstekende sterkte-gewichtsverhouding en corrosieweerstand wordt titanium veel gebruikt in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, auto's, schepen, medische en sportuitrusting. Titanium is een ideaal materiaal voor de productie van vliegtuigonderdelen, ruimtevaartuigonderdelen, motoronderdelen en hoogwaardige sportuitrusting. Tegelijkertijd heeft titanium een uitstekende biocompatibiliteit, is het niet giftig en hypoallergeen, waardoor het geschikt is voor de vervaardiging van medische implantaten, protheses, knievervangingen, pacemakers, schedelplaten en zelfs wortelapparaten voor tandheelkundige implantaten. Voor medische toepassingen is titanium dus sterker dan aluminium.
- Smeltpunt – 1668 C
- Kookpunt – 3287 C
- Dichtheid – 4.506 g·cm−3
- Thermische geleidbaarheid – 21.9 W m-1 K-1
- 45% lichter dan staal en 60% zwaarder dan aluminium
- Treksterkte – van 3,000 psi tot 200,000 psi, afhankelijk van de legering
- Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt – 8.6 x 10-6 K-1 (de helft van die van aluminium)
Voordelen van titanium
- Uitstekende duurzaamheid
- Hoogste sterkte-dichtheidsverhouding
- Staalalternatief met de meeste voorkeur
- Roest- en corrosiebestendig
- Geschikt voor veel producten
- Hoge weerstand tegen stressvolle omstandigheden
Nadelen van titanium
- Lage elasticiteitsmodulus
- Hogere kosten dan aluminium
- Vanwege de hoge sterkte zijn hoge snijkrachten vereist
Overzicht aluminium
Aluminium is een economische keuze, een lichtgewicht en taai metaal dat een goede gewicht-sterkteverhouding biedt tegen een relatief lage prijs. Het heeft een lage dichtheid, weegt slechts een derde van het staal en heeft een goede corrosieweerstand en een hoge breuktaaiheid. Het donkerzilvere uiterlijk wordt veroorzaakt door de vorming van een dun laagje aluminiumoxide zodra het aluminium wordt blootgesteld aan lucht. Dit is de reden voor de corrosieweerstand. Belangrijk is dat aluminium in overvloed aanwezig is dan titanium, maar wat de prijs echt omlaag drijft is het gemak waarmee aluminium gemaakt kan worden. Bovendien is aluminium een betere geleider van warmte en elektriciteit dan titanium. Voor elektrische toepassingen is aluminium sterker dan titanium.
- Smeltpunt – 660.4 C
- Kookpunt – 2467 C
- Thermische geleidbaarheid – 235 W m-1 K-1
- Dichtheid – 2.7 g.cm -3 (ongeveer 1/3 van staal of koper, dus lichter)
- Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt – 23.1 x 10-6 K-1
- Treksterkte – Zuiver aluminium heeft geen hoge treksterkte en wordt daarom vaak gelegeerd met andere metalen
Voordelen van aluminium
- Voordeliger optie
- Geurloos en ondoordringbaar
- Reflectiviteit en flexibiliteit
- Corrosieweerstand
- Hoge bewerkbaarheid en recycleerbaarheid
- Hoge thermische en elektrische geleidbaarheid
Nadelen van aluminium
- Het lasproces is moeilijk
- Corrodeert snel in zout water of alkalische omgevingen
Uitgebreide vergelijking van titanium en aluminium
Laten we de eigenschappen van titanium en aluminium vergelijken.
1. Titanium en aluminium: elementaire samenstelling
Het symbool voor titanium op het periodiek systeem der elementen is Ti, en het atoomnummer is 22. Het belangrijkste legeringselement van titanium is aluminium; andere elementen zoals vanadium, ijzer en molybdeen kunnen ook worden toegevoegd om titaniumlegeringen te vormen.
Het symbool van aluminium op het periodiek systeem der elementen is Al, en het atoomnummer is 13. Het belangrijkste legeringselement van aluminium is magnesium, en er kunnen ook verschillende hoeveelheden silicium, zink, mangaan, koper, ijzer, titanium, chroom, zirkonium en andere elementen worden toegevoegd.
De chemische samenstelling van titanium- en aluminiumlegeringen kan worden aangepast om hun prestaties voor specifieke toepassingen te optimaliseren. Het toevoegen van vanadium aan titanium kan bijvoorbeeld de sterkte en ductiliteit ervan verbeteren; het toevoegen van magnesium kan de sterkte van aluminium en de corrosieweerstand verbeteren. Daarom speelt de chemische samenstelling een belangrijke rol bij het bepalen van de eigenschappen en geschiktheid van deze legeringen voor verschillende taken.
2. Titanium en aluminium: corrosiebestendigheid
Corrosiebestendigheid is het vermogen van een metaal om weerstand te bieden aan verslechtering door chemische reacties met zijn omgeving. De belangrijkste factoren die de corrosieweerstand beïnvloeden zijn de samenstelling van de legering, de omgevingsomstandigheden en de oppervlakteafwerking.
Titanium staat bekend om zijn uitstekende corrosieweerstand dankzij de zeer stabiele oxidelaag die zich van nature op het oppervlak vormt. Deze oxidelaag is bestand tegen verschillende corrosieve omgevingen zoals zeewater, zuren en logen. Een sterk hechtende oxidecoating op het oppervlak voorkomt effectief verdere achteruitgang.
Aluminium vormt echter ook een oxidelaag op het oppervlak en vertoont ook een goede corrosieweerstand. Helaas is de oxidelaag van aluminium veel dunner en heeft een relatief slechte hechting dan de oxidelaag van titanium, waardoor deze gevoeliger is voor schade door corrosieve omgevingen en het onderliggende metaal wordt blootgesteld aan corrosie.
Omgevingsomstandigheden beïnvloeden ook de corrosieweerstand van beide metalen. Titanium is bijvoorbeeld zeer goed bestand tegen corrosie veroorzaakt door chloriden, waardoor het ideaal is voor maritieme omgevingen. Aluminium daarentegen is minder bestand tegen corrosie veroorzaakt door chloriden en vereist mogelijk aanvullende beschermende coatings of behandelingen om beschermd te blijven.
Oppervlakteafwerking is een andere belangrijke factor in de corrosieweerstand. Ruwe of beschadigde oppervlakken kunnen scheuren en andere potentiële verontreinigingen veroorzaken die corrosie veroorzaken. Titanium heeft een uitstekende weerstand tegen oppervlaktebeschadiging en uitstekende oppervlaktebehandelingseigenschappen, waardoor het minder gevoelig is voor corrosie dan aluminium.
3. Titanium en aluminium: elektrische geleidbaarheid
Geleidbaarheid verwijst naar het vermogen van een materiaal om de elektrische potentiaal te laten dalen, waardoor elektronen kunnen stromen. Om de elektrische geleidbaarheid van een bepaald materiaal internationaal te bepalen, wordt koper doorgaans gebruikt als maatstaf voor het evalueren van de elektrische geleidbaarheid.
Toen de elektrische geleidbaarheid van titanium en koper werd vergeleken, bleek dat titanium ongeveer 3.1% van de elektrische geleidbaarheid van koper heeft. Daarom is titanium een geleider van elektriciteit, maar kan het niet worden gebruikt in toepassingen waar een goede elektrische geleiding vereist is. Hoewel titanium de elektriciteit niet goed geleidt, fungeert het als een goede weerstand. Aluminium daarentegen heeft 64% de geleidbaarheid van koper. Dit betekent dat aluminium de voorkeur heeft boven titanium in toepassingen die elektrische geleiding vereisen.
4. Titanium en aluminium: thermische geleidbaarheid
De thermische geleidbaarheid van een materiaal is het vermogen ervan om warmte over te dragen of te geleiden. Thermische geleidbaarheid kan ook worden opgevat als de tijdsnelheid van geleiding door de eenheidsdikte en het eenheidsmateriaal onder een eenheidstemperatuurgradiënt. Om goed te zijn voor thermische toepassingen, moeten materialen een hoge thermische geleidbaarheid hebben en moeten materialen met een lage thermische geleidbaarheid goede isolatoren zijn.
Titanium heeft een thermische geleidbaarheid van 118 BTU-in/hr-ft²-°Fm (17.0 W/mK), terwijl aluminium een thermische geleidbaarheid heeft van maximaal 1460 BTU-in/hr-ft²-°F (210 W/mK) . In termen van thermische geleidbaarheid is aluminium meer dan tien keer zo groot als titanium. Daarom is aluminium sterker dan titanium in toepassingen waarbij warmteafvoer vereist is.
5. Titanium en aluminium: smeltpunt
Het smeltpunt van een metaal verwijst naar de temperatuur waarbij het metaal begint te veranderen van vast naar vloeibaar. Op het smeltpunt zijn de vaste en vloeibare fasen van een metaal in evenwicht. Zodra dit temperatuurniveau is bereikt, kan het metaal gemakkelijk worden gevormd.
Titanium heeft een smeltpunt van 1650 – 1670 °C (3000 – 3040 °F), en daarom wordt het gebruikt als vuurvast metaal. Aluminium heeft daarentegen een lager smeltpunt van 660.37 °C (1220.7 °F) vergeleken met titanium. Daarom is titanium geschikter voor hittebestendige toepassingen.
6. Titanium en aluminium: hardheid
De hardheid van een metaal verwijst naar de reactie op etsen, deuken, vervorming of krassen langs het oppervlak. Titanium heeft een Brinell-hardheid van 70 HB, wat veel groter is dan de 15 HB van puur aluminium, maar sommige soorten aluminiumlegeringen zijn harder dan titanium. Voorbeelden zijn onder meer aluminium 7075 T7 en T6, aluminium 6082 T5 en T6, enz.
Titanium daarentegen vervormt gemakkelijk als het bekrast of ingedeukt wordt. Titanium creëert echter een uitzonderlijk hard oppervlak door een oxidelaag te vormen die bestand is tegen de meeste vervormingen. In toepassingen waarbij hardheid een van de belangrijkste vereisten is, wordt de selectie gebaseerd op de specifieke vereisten van het project, rekening houdend met de kosten.
7. Titanium en aluminium: dichtheid
Titanium en aluminium zijn beide lichtgewicht metalen. De dichtheid van aluminium (2712 kg/m 3) is lager dan die van titanium (4500 kg/m 3). Aluminium weegt veel minder per volume-eenheid dan titanium. Er is echter minder titanium nodig om een vergelijkbare fysieke sterkte als aluminium te bereiken. Dit is de reden waarom titanium wordt gebruikt in straalmotoren van vliegtuigen en ruimtevaartuigen. Het is bekend dat titanium de brandstofkosten verlaagt vanwege zijn lichtheid en sterkte.
Voor sommige toepassingen is titanium of aluminium de beste keuze. Titanium wordt bijvoorbeeld gebruikt waar de sterkte-gewichtsverhouding een probleem is, terwijl aluminium wordt gebruikt waar slechts een lichtgewicht vereist is.
8. Titanium en aluminium: prijs
Als je staven met hetzelfde volume vergelijkt, zijn de kosten van aluminium staven lager dan die van titanium staven. Dit komt omdat het maken van titanium meer moeilijkheidsgraad en expertise vereist, terwijl aluminium gemakkelijker te maken is. Wat de kosten betreft, is aluminium zuiniger dan titanium.
9. Titanium en aluminium: duurzaamheid
De duurzaamheid van een materiaal verwijst naar het vermogen om zijn functionaliteit te behouden wanneer het wordt uitgedaagd, zonder dat er overmatige reparaties of onderhoud nodig zijn. Het is bekend dat zowel titanium als aluminium duurzaam zijn en langer meegaan. Titanium is extreem sterk en duurzaam, en als het goed wordt onderhouden, kan het frame tientallen jaren meegaan zonder tekenen van slijtage te vertonen.
Aluminium heeft daarentegen ook zijn duurzaamheid bewezen in extreme omgevingen, vooral waar sterkte, veiligheid en duurzaamheid van cruciaal belang zijn.
10. Titanium en aluminium: bewerkbaarheid
Bewerkbaarheid verwijst naar hoe goed een metaal reageert op verwerkingsspanningen (inclusief stampen, CNC draaien, CNC frezen, enz.). De bewerkbaarheid van een metaal is een van de indicatoren die worden gebruikt om te bepalen welke bewerkingsmethode moet worden gebruikt. CNC-draaien en CNC-frezen zijn populaire methoden voor het maken van titanium- en aluminiumonderdelen. Ze kunnen in minder dan een dag worden vervaardigd en voldoen aan toleranties van +/- 0.005 inch (0.13 mm). Wanneer onderdelen snel moeten worden vervaardigd, is aluminium een perfecte keuze, omdat het kosteneffectiever en kwalitatief hoogwaardiger is.
Als het echter om geometrieën gaat, kunnen bewerkingsmethoden enigszins beperkend zijn. Ongeacht het gekozen materiaal vereisen extreem complexe ontwerpen verschillende oplossingen. Een andere factor waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van materialen is het nabewerkingsafval. Daarom is het wegfrezen van overtollig materiaal haalbaar met goedkoop aluminium, maar niet ideaal met duur titanium. Daarom geven snelle fabrikanten er vaak de voorkeur aan aluminium te gebruiken voor prototypes en vervolgens over te schakelen op titanium voor productieonderdelen.
11. Titanium en aluminium: vervormbaarheid
Relatief gezien is aluminium gemakkelijker te vormen dan titanium. Alle vormen van aluminium kunnen op verschillende manieren eenvoudig tot afgewerkte onderdelen worden gemaakt. Er kunnen bijvoorbeeld verschillende soorten zagen worden gebruikt om aluminiumprofielen te zagen, terwijl lasers, plasma of waterstralen aluminium onderdelen met complexe vormen kunnen produceren. Hoewel titanium ook vervormbaar is, is het niet zo vervormbaar als aluminium. Wanneer vervormbaarheid cruciaal is voor het succes van een project, is aluminium daarom de perfecte keuze.
12. Titanium en aluminium: lasbaarheid
Zowel titanium als aluminium kunnen worden gelast. Ter vergelijking: titaniumlassen vereist meer expertise. Aluminium daarentegen is zeer goed lasbaar en kent vele toepassingen. Als lasbaarheid een van de belangrijkste vereisten is bij de materiaalkeuze, zou aluminium daarom een perfecte keuze zijn.
13. Titanium en aluminium: vloeigrens
De vloeigrens van een materiaal verwijst naar de maximale spanning waarbij het materiaal permanent begint te vervormen. Commercieel zuiver titanium (>99% Ti) is een metaal met een lage tot gemiddelde sterkte dat niet goed geschikt is voor de productie van vliegtuigconstructies of motoren.
Zuiver aluminium vertoont daarentegen vloeisterktes variërend van 7 MPa tot ongeveer 11 MPa, terwijl aluminiumlegeringen vloeisterktes vertonen variërend van 200 MPa tot 600 MPa. Daarom is de vloeigrens van aluminiumlegeringen hoger dan die van titanium.
14. Titanium en aluminium: treksterkte
De treksterkte van een metaal verwijst naar de hoogste spanning die een materiaal kan weerstaan wanneer het onder spanning wordt geplaatst. De ultieme treksterkte van titanium en zijn legeringen bij omgevingstemperatuur varieert van 230 MPa voor de zachtste kwaliteiten commercieel zuiver titanium tot 1400 MPa voor zeer sterke legeringen.
Aluminiumlegeringen vertonen daarentegen een veel hogere sterkte dan puur aluminium. Zuiver aluminium heeft een treksterkte van 90 MPa, die voor sommige warmtebehandelbare aluminiumlegeringen kan worden verhoogd tot meer dan 690 MPa.
15. Titanium en aluminium: schuifsterkte
De schuifsterkte van een metaal verwijst naar het vermogen van het metaal om schuifbelastingen te weerstaan. Titanium heeft een schuifspanning tussen 40 en 45 MPa, terwijl aluminium een schuifsterkte heeft tussen 85 en ongeveer 435 MPa. Als schuifsterkte een van de belangrijkste redenen is voor de materiaalkeuze, kunnen bepaalde aluminiumkwaliteiten daarom de voorkeur verdienen boven titanium.
16. Titanium en aluminium: kleur
Bij het onderscheiden of differentiëren tussen titanium en aluminium is het identificeren van kleur de meest economische manier. Dit zal helpen materialen snel met het blote oog te identificeren en te voorkomen dat u het verkeerde metaal voor uw project gebruikt. Om zich te onderscheiden heeft aluminium een zilverwit uiterlijk, met kleuren variërend van zilver tot donkergrijs, afhankelijk van de legeringselementen van het materiaal. Bij gladdere aluminium oppervlakken is het uiterlijk meestal zilverkleurig. Titanium heeft daarentegen een zilverachtig uiterlijk dat donkerder wordt onder het licht.
Samenvatting vergelijkingstabel
Wij hebben aan de hand van ongeveer 16 eigenschappen een redelijke vergelijking kunnen maken tussen titanium en aluminium om zo professioneel inzicht te krijgen in het gebruik van het juiste materiaal voor uw CNC-project.
Appartementen | Titanium | Aluminium |
Atoomgetallen | Het atoomnummer van het lichaam is 22 of 22 protonen | Het atoomnummer van het lichaam is 13 of 13 protonen |
Ultieme treksterkte (UTS) | Het beschikt over een treksterkte tot 1170 MPa | Het heeft een ultieme sterkte van 310 MPa |
Smeltpunt | Titanium smelt bij 1650 – 1670 ᵒC | Aluminium smelt bij 582 – 652 ᵒC |
Elektrische geleiding | Titanium heeft aluminium met een lage elektrische geleidbaarheid | m vertoont een uitstekende elektrische geleidbaarheid |
Magneticiteit | Het is paramagnetisch | t is niet magnetisch |
Sterkte | Het heeft de dubbele sterkte van aluminium | Het heeft een lagere sterkte dan titanium |
Warmtegeleiding | Lage thermische geleidbaarheid hoog | h thermische geleidbaarheid |
Aluminium versus titanium, welk materiaal kiezen?
Sterkte en duurzaamheid. Titanium is sterker en duurzamer dan aluminium en heeft een hogere sterkte-gewichtsverhouding, wat betekent dat het zwaardere schokken kan weerstaan zonder aanzienlijk gewicht toe te voegen. Dit maakt titanium een goede keuze voor tandwielen die duurzaam moeten zijn en bestand moeten zijn tegen schokken en slijtage, en tegen de zwaarste omstandigheden.
Corrosieweerstand. Titanium is zeer goed bestand tegen corrosie, waardoor het ideaal is voor buitenuitrusting die wordt blootgesteld aan vocht, vochtigheid en andere omgevingsfactoren die roest of degradatie kunnen veroorzaken. Aluminium is echter ook van nature bestand tegen corrosie. Bovendien kan aluminium worden geanodiseerd of gecoat om extra corrosieweerstand te bieden. In dit opzicht hebben beide dezelfde corrosieweerstand, maar titanium is het superieure metaal als rekening wordt gehouden met sterkte en integriteit.
Gewicht. Aluminium is veel lichter dan titanium. Titanium is echter nog steeds een lichtgewicht materiaal dat uitstekende sterkte en duurzaamheid biedt zonder al te veel gewicht toe te voegen. De keuzes hier vereisen afwegingen. Als het puur om het gewicht gaat, is aluminium een duidelijke keuze, maar als je ook rekening houdt met de levensduur en sterkte/integriteit, is titanium de meest redelijke keuze.
Levensduur van het product. De gemiddelde levensduur van aluminium outdooruitrusting is ongeveer 5-15 jaar. Titanium tandwielen zijn sterker, duurzamer en gaan langer mee. Natuurlijk zijn er voor elk materiaal uitzonderingen, maar over het algemeen gaan titanium tandwielen tientallen jaren mee, terwijl aluminium tandwielen vaker vervangen moeten worden.
Kosten. Aluminium tandwielen zijn altijd goedkoper. Titanium is een moeilijker materiaal om te bewerken dan aluminium en daarom duurder om te vervaardigen. Aluminium is zeer bewerkbaar en kan gemakkelijk worden gesneden, gevormd en gevormd tot complexe vormen en ontwerpen. Ter vergelijking: titaniumlegeringen zijn moeilijker. Dit drijft de prijs van titanium op, wat inderdaad een belangrijke factor is waar klanten rekening mee moeten houden.
Conclusie
Titanium en aluminium zijn twee belangrijke metaalmaterialen bij het maken van prototypes. De eigenschappen van aluminium en titanium maken ze tot een veelzijdige keuze voor toepassingen in veel verschillende industrieën. Dit artikel vergelijkt de verschillende eigenschappen van titanium en aluminium. Er zijn ook verschillende factoren waarmee u rekening moet houden voordat u deze metalen kiest. Bekijk onze ultieme gids voor CNC-bewerking van titanium en CNC-bewerking van aluminium. Als u meer hulp nodig heeft, staat AN-Prototype klaar om u te helpen. Neem dan onmiddellijk contact met ons op.