Na dzisiejszym wysoce konkurencyjnym rynku każda branża poszukuje innowacyjnych sposobów wprowadzenia produktów na rynek w krótkim czasie. W rezultacie projektant lub mechanik może wybrać ekonomiczną obróbkę metalu i maksymalizować zyski. Biorąc pod uwagę spełnienie wymagań projektowych, szczególnie ważne jest maksymalne ograniczenie kosztów całkowitych. Kiedy projektanci planują użycie lekkich metali do prototypowania lub niestandardowych części, na myśl przychodzą dwa popularne materiały metalowe: tytan i aluminium. Tytan i aluminium mają podobny stosunek wytrzymałości do masy, odporność na korozję i inne doskonałe właściwości i są szeroko stosowane w różnych dziedzinach. Być może masz pytania na ten temat: „Czy tytan jest lżejszy od aluminium?” lub „Czy tytan jest lepszy od aluminium we wszystkich właściwościach?” „Tytan czy aluminium – który materiał jest bardziej odpowiedni dla mojego projektu CNC” i tak dalej. Aby pomóc Ci odpowiedzieć na te pytania, AN-Prototyp zapewnia kompleksowy przegląd zalet i wad obu materiałów na podstawie lat Obróbka CNC doświadczenie.
Tytan ma mniej więcej taką samą gęstość jak aluminium, jest mocniejszy od aluminium i ma doskonałą odporność na korozję w różnych środowiskach, w tym w wodzie morskiej i roztworach kwaśnych. Ze względu na doskonały stosunek wytrzymałości do masy i odporność na korozję tytan jest szeroko stosowany w takich gałęziach przemysłu, jak przemysł lotniczy, samochodowy, okrętowy, sprzęt medyczny i sportowy. Tytan jest idealnym materiałem do produkcji podzespołów samolotów, części statków kosmicznych, elementów silników i wyczynowego sprzętu sportowego. Jednocześnie tytan charakteryzuje się doskonałą biokompatybilnością, jest nietoksyczny i hipoalergiczny, dzięki czemu nadaje się do produkcji implantów medycznych, protez, protez stawu kolanowego, rozruszników serca, płytek czaszkowych, a nawet urządzeń korzeniowych do implantów dentystycznych. Zatem w zastosowaniach medycznych tytan jest mocniejszy niż aluminium.
- Temperatura topnienia – 1668 C
- Temperatura wrzenia – 3287 C
- Gęstość – 4.506 g·cm−3
- Przewodność cieplna – 21.9 W·m-1·K-1
- 45% lżejszy od stali i 60% cięższy od aluminium
- Wytrzymałość na rozciąganie – od 3,000 psi do 200,000 XNUMX psi w zależności od stopu
- Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej – 8.6 x 10-6 K-1 (połowa mniejszego niż aluminium)
Zalety tytanu
- Doskonała trwałość
- Najwyższy stosunek wytrzymałości do gęstości
- Najbardziej preferowana alternatywa stali
- Odporny na rdzę i korozję
- Pasuje do wielu produktów
- Wysoka odporność na stresujące warunki
Wady tytanu
- Niski moduł sprężystości
- Wyższy koszt niż aluminium
- Ze względu na dużą wytrzymałość wymagane są duże siły skrawania
Przegląd aluminium
Aluminium to ekonomiczny wybór, lekki i ciągliwy metal, który oferuje dobry stosunek masy do wytrzymałości przy stosunkowo niskiej cenie. Ma niską gęstość, waży tylko jedną trzecią stali i ma dobrą odporność na korozję i wysoką odporność na pękanie. Jego ciemnosrebrny wygląd wynika z utworzenia cienkiej warstwy tlenku glinu, gdy tylko aluminium zostanie wystawione na działanie powietrza. To jest powód jego odporności na korozję. Co ważne, aluminium występuje częściej niż tytanu, ale tym, co naprawdę obniża cenę, jest łatwość wytwarzania aluminium. Poza tym aluminium jest lepszym przewodnikiem ciepła i prądu niż tytan. W zastosowaniach elektrycznych aluminium jest mocniejsze niż tytan.
- Temperatura topnienia – 660.4 C
- Temperatura wrzenia – 2467 C
- Przewodność cieplna – 235 W·m-1·K-1
- Gęstość – 2.7 g.cm -3 (około 1/3 stali lub miedzi, czyli lżejsza)
- Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej – 23.1 x 10-6 K-1
- Wytrzymałość na rozciąganie – czyste aluminium nie ma dużej wytrzymałości na rozciąganie, dlatego często jest dodawane do innych metali
Zalety aluminium
- Bardziej ekonomiczna opcja
- Bezwonny i nieprzepuszczalny
- Odblaskowość i elastyczność
- Odporność na korozję
- Wysoka obrabialność i możliwość recyklingu
- Wysoka przewodność cieplna i elektryczna
Wady aluminium
- Proces spawania jest trudny
- Szybko koroduje w słonej wodzie lub środowisku zasadowym
Kompleksowe porównanie tytanu i aluminium
Porównajmy właściwości tytanu i aluminium.
1. Tytan i aluminium: skład pierwiastkowy
Symbol tytanu w układzie okresowym pierwiastków to Ti, a jego liczba atomowa wynosi 22. Głównym pierwiastkiem stopowym tytanu jest aluminium; w celu wytworzenia stopów tytanu można również dodawać inne pierwiastki, takie jak wanad, żelazo i molibden.
Symbolem aluminium w układzie okresowym pierwiastków jest Al, a liczba atomowa wynosi 13. Głównym pierwiastkiem stopowym aluminium jest magnez, ale można również dodać różne ilości krzemu, cynku, manganu, miedzi, żelaza, tytanu, chromu, cyrkonu i innych pierwiastków.
Skład chemiczny stopów tytanu i aluminium można dostosować w celu optymalizacji ich wydajności dla określonych zastosowań. Na przykład dodanie wanadu do tytanu może poprawić jego wytrzymałość i ciągliwość; dodanie magnezu może poprawić wytrzymałość aluminium i jego odporność na korozję. Dlatego skład chemiczny odgrywa ważną rolę w określaniu właściwości i przydatności tych stopów do różnych zadań.
2. Tytan i aluminium: odporność na korozję
Odporność na korozję to zdolność metalu do przeciwstawiania się zniszczeniu w wyniku reakcji chemicznych z otoczeniem. Głównymi czynnikami wpływającymi na odporność na korozję są skład stopu, warunki środowiskowe i wykończenie powierzchni.
Tytan znany jest z doskonałej odporności na korozję dzięki bardzo stabilnej warstwie tlenku, która naturalnie tworzy się na jego powierzchni. Ta warstwa tlenku jest odporna na różne środowiska korozyjne, takie jak woda morska, kwasy i zasady. Wysoce przyczepna powłoka tlenkowa na powierzchni skutecznie zapobiega dalszemu niszczeniu.
Jednakże aluminium tworzy również warstwę tlenku na swojej powierzchni i wykazuje również dobrą odporność na korozję. Niestety warstwa tlenku aluminium jest znacznie cieńsza i ma stosunkowo słabą przyczepność niż warstwa tlenku tytanu, co czyni ją bardziej podatną na uszkodzenia w środowiskach korozyjnych i narażając leżący pod nią metal na korozję.
Warunki środowiskowe wpływają również na odporność na korozję obu metali. Na przykład tytan jest wysoce odporny na korozję powodowaną przez chlorki, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań w środowiskach morskich. Z drugiej strony aluminium jest mniej odporne na korozję powodowaną przez chlorki i może wymagać dodatkowych powłok ochronnych lub zabiegów, aby zachować ochronę.
Wykończenie powierzchni jest kolejnym kluczowym czynnikiem wpływającym na odporność na korozję. Szorstkie lub uszkodzone powierzchnie mogą powodować pęknięcia i inne potencjalne zabrudzenia powodujące korozję. Tytan ma doskonałą odporność na uszkodzenia powierzchni i doskonałe właściwości obróbki powierzchni, dzięki czemu jest mniej podatny na korozję niż aluminium.
3. Tytan i aluminium: przewodność elektryczna
Przewodność odnosi się do zdolności materiału do spadku potencjału elektrycznego, umożliwiając przepływ elektronów. Ogólnie rzecz biorąc, w celu określenia przewodności elektrycznej określonego materiału na całym świecie, miedź jest zwykle stosowana jako punkt odniesienia do oceny przewodności elektrycznej.
Po porównaniu przewodności elektrycznej tytanu i miedzi stwierdzono, że tytan ma około 3.1% przewodności elektrycznej miedzi. Dlatego tytan jest przewodnikiem prądu elektrycznego, ale nie można go stosować w zastosowaniach, w których wymagana jest dobra przewodność elektryczna. Chociaż tytan nie przewodzi dobrze prądu, działa jak dobry rezystor. Z drugiej strony aluminium ma 64% przewodności miedzi. Oznacza to, że aluminium jest preferowane zamiast tytanu w zastosowaniach wymagających przewodności elektrycznej.
4. Tytan i aluminium: przewodność cieplna
Przewodność cieplna materiału to jego zdolność do przenoszenia lub przewodzenia ciepła. Przewodność cieplną można również rozumieć jako szybkość przewodzenia w czasie przez jednostkę grubości i jednostkowy materiał przy jednostkowym gradiencie temperatury. Aby materiały nadawały się do zastosowań termicznych, muszą mieć wysoką przewodność cieplną, a materiały o niskiej przewodności cieplnej są dobrymi izolatorami.
Tytan ma przewodność cieplną 118 BTU-in/h-ft²-°Fm (17.0 W/mK), podczas gdy aluminium ma przewodność cieplną do 1460 BTU-in/h-ft²-°F (210 W/mK) . Pod względem przewodności cieplnej aluminium jest ponad dziesięciokrotnie większe od tytanu. Dlatego aluminium jest mocniejsze niż tytan w zastosowaniach wymagających rozpraszania ciepła.
5. Tytan i aluminium: temperatura topnienia
Temperatura topnienia metalu odnosi się do temperatury, w której metal zaczyna zmieniać się ze stałego w ciekły. W temperaturze topnienia fazy stała i ciekła metalu istnieją w równowadze. Po osiągnięciu tego poziomu temperatury metal można łatwo formować.
Tytan ma temperaturę topnienia 1650 – 1670°C (3000 – 3040°F), dlatego stosuje się go jako metal ogniotrwały. Z drugiej strony aluminium ma niższą temperaturę topnienia wynoszącą 660.37 ° C (1220.7 ° F) w porównaniu z tytanem. Dlatego tytan jest bardziej odpowiedni w zastosowaniach odpornych na ciepło.
6. Tytan i aluminium: twardość
Twardość metalu odnosi się do jego reakcji na trawienie, wgniecenia, odkształcenia lub zarysowania wzdłuż jego powierzchni. Tytan ma twardość Brinella wynoszącą 70 HB, czyli znacznie większą niż 15 HB czystego aluminium, ale niektóre gatunki stopów aluminium są twardsze niż tytan. Przykłady obejmują aluminium 7075 T7 i T6, aluminium 6082 T5 i T6 itp.
Tytan natomiast łatwo odkształca się pod wpływem zarysowania lub wgniecenia. Jednakże tytan tworzy wyjątkowo twardą powierzchnię, tworząc warstwę tlenku, która jest odporna na większość odkształceń. W zastosowaniach, w których twardość jest jednym z głównych wymagań, wybór opiera się na specyficznych wymaganiach projektu, biorąc pod uwagę koszty.
7. Tytan i aluminium: gęstość
Tytan i aluminium to metale lekkie. Gęstość aluminium (2712 kg/m 3) jest mniejsza niż tytanu (4500 kg/m 3). Aluminium waży znacznie mniej na jednostkę objętości niż tytan. Jednak do osiągnięcia wytrzymałości fizycznej porównywalnej z aluminium potrzeba mniej tytanu. Właśnie dlatego tytan jest stosowany w silnikach odrzutowych samolotów i statkach kosmicznych. Wiadomo, że tytan obniża koszty paliwa ze względu na swoją lekkość i wytrzymałość.
W przypadku niektórych zastosowań najlepszym wyborem jest tytan lub aluminium. Na przykład tytan stosuje się tam, gdzie liczy się stosunek wytrzymałości do masy, natomiast aluminium stosuje się tam, gdzie wymagana jest jedynie lekkość.
8. Tytan i aluminium: Cena
Porównując pręty o tej samej objętości, koszt prętów aluminiowych jest niższy niż prętów tytanowych. Dzieje się tak dlatego, że wytwarzanie tytanu wymaga większych trudności i wiedzy specjalistycznej, podczas gdy aluminium jest łatwiejsze do wykonania. Pod względem kosztów aluminium jest bardziej ekonomiczne niż tytan.
9. Tytan i aluminium: trwałość
Trwałość materiału odnosi się do jego zdolności do utrzymania funkcjonalności w obliczu wyzwań bez konieczności nadmiernych napraw lub konserwacji. Wiadomo, że zarówno tytan, jak i aluminium są trwałe i wytrzymują dłużej. Tytan jest niezwykle mocny i trwały, a przy odpowiedniej pielęgnacji jego rama może przetrwać dziesięciolecia, nie wykazując żadnych oznak zużycia.
Z drugiej strony aluminium udowodniło również swoją trwałość w ekstremalnych warunkach, szczególnie tam, gdzie wytrzymałość, bezpieczeństwo i trwałość mają kluczowe znaczenie.
10. Tytan i aluminium: skrawalność
Skrawalność odnosi się do tego, jak dobrze metal reaguje na naprężenia procesowe (w tym tłoczenie, Toczenie CNC, frezowanie CNCitp.). Skrawalność metalu jest jednym ze wskaźników stosowanych do określenia metody obróbki, którą należy zastosować. Toczenie CNC i frezowanie CNC to popularne metody tworzenia części tytanowych i aluminiowych. Można je wyprodukować w mniej niż jeden dzień i zachowują tolerancję +/-0.005 cala (0.13 mm). Gdy części muszą zostać wyprodukowane szybko, aluminium jest idealnym wyborem, ponieważ jest tańsze i ma wyższą jakość.
Jednakże, jeśli chodzi o geometrię, metody obróbki mogą być nieco restrykcyjne. Niezależnie od wybranego materiału, niezwykle skomplikowane projekty wymagają odmiennych rozwiązań. Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów, są odpady po przetworzeniu. Dlatego frezowanie nadmiaru materiału jest możliwe w przypadku taniego aluminium, ale nie jest idealne w przypadku drogiego tytanu. Dlatego szybcy producenci często wolą używać aluminium do prototypów, a następnie przechodzą na tytan do produkcji części.
11. Tytan i aluminium: odkształcalność
Relatywnie aluminium jest łatwiejsze w formowaniu niż tytan. Wszystkie formy aluminium można łatwo przekształcić w gotowe części za pomocą różnych metod. Na przykład do cięcia profili aluminiowych można używać różnych typów pił, podczas gdy lasery, plazma lub strumienie wody mogą wytwarzać części aluminiowe o skomplikowanych formach i kształtach. Chociaż tytan jest również plastyczny, nie jest tak podatny na formowanie jak aluminium. Dlatego też, gdy odkształcalność ma kluczowe znaczenie dla powodzenia projektu, aluminium jest idealnym wyborem.
12. Tytan i aluminium: spawalność
Można spawać zarówno tytan, jak i aluminium. Dla porównania, spawanie tytanu wymaga większej wiedzy specjalistycznej. Z drugiej strony aluminium jest wysoce spawalne i ma wiele zastosowań. Dlatego też, jeśli spawalność jest jednym z głównych wymagań przy wyborze materiału, aluminium będzie idealnym wyborem.
13. Tytan i aluminium: granica plastyczności
Granica plastyczności materiału odnosi się do maksymalnego naprężenia, przy którym materiał zaczyna się trwale odkształcać. Handlowo czysty tytan (>99% Ti) to metal o niskiej do średniej wytrzymałości, który nie nadaje się dobrze do produkcji konstrukcji lotniczych lub silników.
Z drugiej strony czyste aluminium wykazuje granicę plastyczności w zakresie od 7 MPa do około 11 MPa, podczas gdy stopy aluminium wykazują granicę plastyczności w zakresie od 200 MPa do 600 MPa. Dlatego granica plastyczności stopów aluminium jest wyższa niż tytanu.
14. Tytan i aluminium: wytrzymałość na rozciąganie
Wytrzymałość metalu na rozciąganie odnosi się do najwyższego naprężenia, jakie materiał może wytrzymać pod napięciem. Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie tytanu i jego stopów w temperaturze otoczenia waha się od 230 MPa dla najmiększych gatunków tytanu dostępnego w handlu do 1400 MPa dla stopów o wysokiej wytrzymałości.
Stopy aluminium natomiast charakteryzują się znacznie większą wytrzymałością niż czyste aluminium. Czyste aluminium ma wytrzymałość na rozciąganie 90 MPa, którą w przypadku niektórych stopów aluminium poddawanych obróbce cieplnej można zwiększyć do ponad 690 MPa.
15. Tytan i aluminium: wytrzymałość na ścinanie
Wytrzymałość metalu na ścinanie odnosi się do zdolności metalu do wytrzymywania obciążeń ścinających. Tytan ma wytrzymałość na ścinanie od 40 do 45 MPa, podczas gdy aluminium ma wytrzymałość na ścinanie od 85 do około 435 MPa. Dlatego też, jeśli wytrzymałość na ścinanie jest jednym z głównych powodów wyboru materiału, niektóre gatunki aluminium mogą być lepsze niż tytan.
16. Tytan i aluminium: kolor
Przy rozróżnianiu lub różnicowaniu tytanu i aluminium, identyfikacja koloru jest najbardziej ekonomicznym sposobem. Pomoże to szybko zidentyfikować materiały gołym okiem, aby uniknąć użycia niewłaściwego metalu w projekcie. Dla odróżnienia aluminium ma srebrzystobiały wygląd i kolory od srebrnego do ciemnoszarego, w zależności od składników stopowych materiału. W przypadku gładszych powierzchni aluminiowych wygląd jest zwykle srebrny. Z drugiej strony tytan ma srebrzysty wygląd, który staje się ciemniejszy pod wpływem światła.
Podsumowanie tabeli porównawczej
Byliśmy w stanie dokonać rozsądnego porównania tytanu i aluminium, wykorzystując około 16 właściwości, aby uzyskać profesjonalną wiedzę na temat użycia odpowiedniego materiału do Twojego projektu CNC.
Nieruchomość | Tytan | Aluminium |
Liczby atomowe | liczba atomowa wynosi 22 lub 22 protony | liczba atomowa wynosi 13 lub 13 protony |
Najwyższa wytrzymałość na rozciąganie (UTS) | Posiada wytrzymałość na rozciąganie do 1170 MPa | Ma maksymalną wytrzymałość 310 MPa |
Temperatura topnienia | Tytan topi się w temperaturze 1650 – 1670 ᵒC | Aluminium topi się w temperaturze 582 – 652 ᵒC |
Przewodnictwo elektryczne | Tytan ma aluminium o niskiej przewodności elektrycznej | m wykazuje doskonałą przewodność elektryczną |
Magnetyczność | Jest paramagnetyczny | nie jest magnetyczny |
Wytrzymałość | Ma dwukrotnie większą wytrzymałość niż aluminium | t ma niższą wytrzymałość niż tytan |
Przewodność cieplna | Niska przewodność cieplna wysoka | h przewodność cieplna |
Aluminium VS Tytan, jaki materiał wybrać?
Siła i trwałość. Tytan jest mocniejszy i trwalszy niż aluminium oraz ma wyższy stosunek wytrzymałości do masy, co oznacza, że może wytrzymać silniejsze uderzenia bez znaczącego zwiększania masy. To sprawia, że tytan jest dobrym wyborem do przekładni, które muszą być trwałe i odporne na uderzenia i zużycie oraz w najtrudniejszych warunkach.
Odporność na korozję. Tytan jest wysoce odporny na korozję, dzięki czemu idealnie nadaje się do sprzętu outdoorowego narażonego na wilgoć, wilgoć i inne czynniki środowiskowe, które mogą powodować rdzę lub degradację. Jednak aluminium jest również naturalnie odporne na korozję. Dodatkowo aluminium można anodować lub powlekać, aby zapewnić dodatkową odporność na korozję. Pod tym względem oba mają tę samą odporność na korozję, ale tytan jest metalem lepszym, jeśli weźmie się pod uwagę wytrzymałość i integralność.
Waga. Aluminium jest znacznie lżejsze niż tytan. Tytan jest jednak nadal lekkim materiałem, który zapewnia doskonałą wytrzymałość i trwałość bez zwiększania wagi. Dokonane tutaj wybory wymagają kompromisów. Jeśli problemem jest wyłącznie waga, aluminium jest oczywistym wyborem, ale jeśli wziąć pod uwagę także trwałość i wytrzymałość/integralność, tytan będzie bardziej rozsądnym wyborem.
Życie produktu. Średnia żywotność aluminiowego sprzętu outdoorowego wynosi około 5-15 lat. Przekładnie tytanowe są mocniejsze, trwalsze i wytrzymują dłużej. Oczywiście są wyjątki dla każdego materiału, ale ogólnie rzecz biorąc, przekładnie tytanowe wytrzymają dziesięciolecia, podczas gdy aluminiowe będą wymagały częstszej wymiany.
Koszt. Przekładnie aluminiowe są zawsze tańsze. Tytan jest materiałem trudniejszym w obróbce niż aluminium i dlatego jest droższy w produkcji. Aluminium jest bardzo obrabialne i można je łatwo ciąć, kształtować i formować w złożone kształty i projekty. Dla porównania stopy tytanu są trudniejsze. To podnosi cenę tytanu, co jest rzeczywiście głównym czynnikiem, który klienci powinni wziąć pod uwagę.
Wnioski
Tytan i aluminium to dwa ważne materiały metalowe w prototypowaniu. Właściwości aluminium i tytanu czynią je uniwersalnym wyborem do zastosowań w wielu różnych gałęziach przemysłu. W artykule porównano różne właściwości tytanu i aluminium. Przed wyborem tych metali należy również wziąć pod uwagę różne czynniki. Sprawdź nasz kompletny przewodnik po Obróbka CNC tytanu i Obróbka CNC aluminium. Jeśli potrzebujesz dodatkowej pomocy, AN-Prototype jest gotowy do pomocy. Prosimy o natychmiastowy kontakt.