Titanio y Sus Aleaciones
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Facultad de Ingeniería Ciencias de los Materiales Universidad Católica de la Santísima Concepción Titanio y sus Aleaciones.
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Facultad de IngenieríaCiencias de los MaterialesUniversidad Católica de la Santísima Concepción
Titanio y sus Aleaciones.
Integrantes: Natalia Gómez Joselinne Godoy María Fernanda Lagos Francisco Rudolph
Profesor: Patricio Torrejón
Concepción, 02 de Julio de 2008
Introducción.
En el presente Informe daremos a conocer uno del los
materiales más abundantes del planeta, pero con el inconveniente de
que su extracción es muy costosa, ya que se encuentra como óxidos,
aunque en el futuro podrá competir al mismo nivel que el acero debido
a sus propiedades.
Las aleaciones de titanio ofrecen ventajas para el desarrollo de
nuevas tecnologías, debido a sus excelentes propiedades mecánicas,
alta resistencia a la corrosión, baja densidad específica, elevado punto
de fusión, etc. Esto ha permitido su aplicación en la industria
aeroespacial y en la fabricación de implantes ortopédicos, prótesis
dentales y válvulas aórticas. Entre las aleaciones de titanio destaca la
aleación Ti-Al-V, por sus excelentes propiedades mecánicas combinadas
con una gran capacidad de conformación.
En la actualidad, la gran barrera del costo de producción del
titanio y sus aleaciones, está siendo atacada por países como el Japón ,
de manera conjunta entre productores de materia prima , fabricantes
de productos y constructores , a la par con los avances en la tecnología
de fabricación y tratamientos superficiales de los productos , de manera
que la vida útil de los componentes y estructuras de titanio , así como
su facilidad de instalación compensen los costos de producción. Este
esfuerzo mancomunado ha llevado a la utilización del titanio en obras
civiles
Titanio.
El titanio es un elemento químico, de símbolo Ti y número
atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata.
Comparado con el acero, con quien compite en aplicaciones técnicas, es
mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran
resistencia mecánica, pero es mucho más caro que el acero, lo cual
limita su uso industrial.
Historia y Características.
El titanio fue descubierto en 1791 (en el mineral menacanita), por
el clérigo británico William Gregor, quien le puso el nombre de
menaquita. Cuatro años después, el químico alemán Martin Heinrich
Klaproth volvió a descubrir el elemento en el mineral rutilo, y le llamó
titanio como alusión a la fuerza de los mitológicos titanes griegos.
Es el 9º elemento mas abundante en la superficie de la Tierra
(0'565% en peso). Esta casi siempre presente en rocas ígneas y en los
sedimentos procedentes de ellas. Nunca se encuentra en estado puro.
Existe como óxido en la ilmenita, en el rutilo y en la esfena. También se
encuentran compuestos de titanio en titanatos, silicatos, thortveitita,
neptunita, euxenita, muchos minerales de hierro (ilmenita), cenizas de
carbón, en las plantas y en el cuerpo humano.
En 1910, Hunter obtuvo titanio puro calentando TiCl4 con sodio
en una bomba de acero. En la actualidad se utiliza otro sistema más
productivo: Primero hay que obtener el óxido de titanio. Para ello se
tritura uno de los minerales anteriores y se mezcla con carbonato de
potasio y ácido fluorhídrico produciendo fluorotitanato de potasio. Éste
se destila con agua caliente y se descompone con amoniaco. Así se
obtiene el óxido hidratado amoniacal, que se inflama en un recipiente
de platino produciendo dióxido de titanio (TiO2). Para obtener el titanio
en forma pura, se trata el óxido con cloro, con lo que se obtiene
tetracloruro de titanio, un líquido volátil; después se reduce ese líquido
con magnesio en una cámara de hierro cerrada para producir titanio
metálico. Por último se funde el metal y se moldea en lingotes.
El titanio puro es un metal blanco-plateado, con brillo. Tiene una
densidad muy baja, es resistente y es muy dúctil cuando esta libre de
oxígeno. Es un buen conductor eléctrico. Su conductibilidad térmica y
dilatación son relativamente bajas.
El titanio arde con oxígeno a 610 °C formando dióxido de titanio,
y con nitrógeno a 800 °C formando nitruro de titanio.
El titanio sólo es soluble en ácido fluorhídrico y en ácidos en caliente
como el sulfúrico. El metal es extremadamente frágil en frío, pero es
muy maleable y dúctil al rojo vivo moderado.
El titanio es tan fuerte como el acero, pero un 45% más ligero. Es
un 60% mas pesado que el aluminio, pero 2 veces más fuerte.
Propiedades.
Color: plateado
Densidad (g/ cm3): 4'507
Estructura Cristalina: hexágona
Punto de Fusión (ºC): 1668
Punto de Ebullición (ºC): 3287
Símbolo: Ti
Clasificación: metales de transición, grupo 4
Volumen Atómico (cm3/ mol): 10'62
Nº Atómico: 22
Masa Atómica: 47'867
Nº de Protones/ Electrones: 22
Nº de Neutrones (Isótopo 48- Ti): 26
Estructura Eléctrica: [Ar] 3d2 4s2
Electrones en los niveles de Energía: 2, 8, 10, 2
N° de Oxidación: +2, +3, +4
Electronegatividad: 1'54
Energía de Ionización (kJ. mol -1): 658
Afinidad Electrónica (kJ. mol -1): 7'6
Radio Atómico (pm): 147
Radio Iónico (pm) (carga del Ion): 80( +2), 69(+4)
Entalpía de Fusión (kJ. mol -1): 20'9
Entalpía de Vaporización (kJ. mol -1): 428'9
Titanio Y Sus Aleaciones.
El titanio proporciona excelente resistencia a la corrosión, alta
relación resistencia-peso y propiedades favorables a temperaturas
altas. Resistencia hasta de 200,000 psi aunadas a una densidad de
4,505 g/cm^3 proporcionan las excelentes propiedades mecánicas,
mientras que una capa protectora adherente de TiO2 confiere una
excelente resistencia a la corrosión y a la contaminación por debajo de
535ºC. A más de 535ºC, la capa de óxido se desintegra y átomos
pequeños como los de carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno al
difundirse hacia el sólido, fragilizan al titanio. En consecuencias, se
debe tener especial cuidado durante la fundición, la soldadura o la
forja, de evitar la contaminación por estos elementos.
El titanio es alotrópico con una estructura CC(B) por arriba de
882ºC. Los elementos de aleación combinan la temperatura de
transformación alotrópica y pueden dividirse en cuatro grupos, como se
resume en la Figura 10-8. Ciertas adiciones como las de estaño
producen un endurecimiento por solución sólida sin afectar la
temperatura de transformación. El aluminio, el oxígeno, el hidrógeno y
otros elementos alfa estabilizadores incrementan la temperatura a la
cual alfa se transforma en beta. Los beta-estabilizadores como el
vanadio, el tantalio, el molidebno y el niobio abaten la temperatura de
transformación, causando incluso que la fase beta sea estable a
temperatura ambiente. Finalmente, el manganeso, el cromo y el hierro
producen una reacción eutectoide, reduciendo la temperatura a la cual
ocurre la transformación alfa-beta, y produciendo una estructura
difásica a temperatura ambiente. Hay varias categorías para el titanio y
sus aleaciones, las cuales se resumen en la tabla 10-10.
Titanio comercialmente puro. Este metal es relativamente débil,
pierde su resistencia a temperaturas elevadas, pero tiene una gran
resistencia a la corrosión. Las aplicaciones incluyen cambiadores de
calor, tuberías, reactores, bombas y válvulas, para las industrias
químicas y petroquímicas.
Aleaciones de titanio alfa. Las aleaciones usuales totalmente alfa
contienen 5% de Al y 2,5% de Sn, ambos endurecedores de alfa por
solución. Estas aleaciones tienen adecuada resistencia a la corrosión y
a la oxidación, mantienen bien su resistencia a elevadas temperaturas,
tienen conveniente soldabilidad y normalmente poseen aceptable
ductibilidad y conformabilidad a pesar de su estructura HC. Las
aleaciones alfa se recuecen a temperaturas elevadas en la región beta y
luego se enfrían. El enfriamiento rápido proporciona una estructura alfa
de grano acicular fino, en tanto que un enfriamiento en horno
proporciona una estructura de placas.
Aleaciones de titanio beta. Aunque las adiciones excesivas de
vanadio o molidebno producen una estructura totalmente beta a
temperatura ambiente, ninguna de las llamadas aleaciones beta están
realmente aleadas a tal grado. En lugar de esto, abundan en
estabilizadores de beta, de modo que el enfriamiento rápido produce
una estructura metaestable compuesta en su totalidad de beta. En la
condición recocida, dodne sólo existe beta en la microestructura, la
resistencia proviene del endurecimiento por solución sólida. Las
aleaciones también pueden ser envejecidas para producir resistencias
mayores. Sus aplicaciones incluyen los sujetadores de alta resistencia,
vigas y otros elementos para su uso aeroespacial.
Aleaciones de titanio alfa-beta. Las aleaciones alfa-beta pueden
tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación es
tratada por solución cerca de la temperatura beta-transus (o de
transición de la fase beta), Figura 10-10, lo que permite la persistencia
de una pequeña cantidad de alfa para evitar el crecimiento de grano.
Después, la aleación es enfriada rápidamente para formar una solución
sólida sobre saturada metaestable beta' o martensita de titanio alfa' .
Luego la aleación es envejecida o revenida alrededor de 500°C.
Durante el envejecimiento las fases alfa y beta finalmente
dispersas y el precipitado de la fase beta' o alfa’, incrementa la
resistencia de la aleación. Normalmente, la martensita de titanio se
forma en las aleaciones alfa-beta con menos porcentaje de elementos
aleantes, mientras que la beta sobresaturada es retenida más
fácilmente en las aleaciones más cercanas a las aleaciones enteramente
de fase beta. La martensita de titanio tiene típicamente una apariencia
acicular. Durante el envejecimiento, la fase alfa se precipita en una
estructura Widmanstatten que mejora las propiedades a la tensión así
como la tenacidad de la aleación. Las componentes para estructuras
aeroespaciales, motores a reacción y trenes de aterrizajes son
aplicaciones típicas de las aleaciones alfa-beta tratadas termicamente.
La aleación Ti-6% Al-4% V es la soldadura simultanea por difusión, se
pueden fabricar elementos complicados
Tratamiento Térmico
La transformación alotrópica y los elementos estabilizadores de
una u otra fase , permiten la realización de tratamientos térmicos con
una transformación total o parcial , logrando modificaciones en las
propiedades mecánicas y de corrosión , lo cual impone la necesidad de
conocer los cambios microestructurales que suceden en el material.
Algunas investigaciones han mostrado (ASM COMMITTEE, 1990 ;
BOYER, 1990) que existen dos tipos de fase , la fase primaria ( ´)
proveniente del proceso de fusión , la cual se localiza en los antiguos
límites de grano de fase y la fase secundaria ( "), proveniente de la
transformación de durante los ciclos de tratamiento térmico. La fase
" puede presentar diferentes morfologías : aserrada, acicular , placas y
Widmanstätten. La fase acicular o laminar es el más común de los
productos de transformación cuando se realiza un enfriamiento desde
la zona de estabilidad de la fase . Esta morfología es producida por un
mecanismo de nucleación y crecimiento a lo largo de planos
cristalográficos preferenciales en la fase . En algunos casos toma una
apariencia de cesta entretejida "basket–weave" , característica de la
estructura Widmanstätten.
Diagrama de Fase
- Diagrama de equilibrio del sistema Titanio - Paladio
- Diagrama de Isocorrosión para las aleaciones de Titanio 2, 7 y 12 en ácidos reductores: a) HCI y b) H2SO4
- Limites de temperatura y ph para el proceso de corrosión por resquicios en las aleaciones de Titanio de grado 2, 7 y 12 en soluciones acuosas de NaCl. El proceso de corrosión ocurre en el área oscuresida.
Procesos del Titanio
- Fundición
La fundición de piezas de titanio se realiza cuando se trata de
piezas de diseño complejo que hace difícil el forjado o mecanizado de
las mismas. Hay muchas aplicaciones donde se utilizan piezas fundidas
desde piezas muy voluminosas hasta piezas muy pequeñas de
aplicaciones biomédicas.
Hay dos métodos principales para la fundición de piezas:
Fundición por moldeo de grafito apisonado, recomendado para la
fundición de piezas de gran tamaño por ser el procedimiento más
económico porque no hay necesidad de fabricar moldes especiales.
Fundición a la cera perdida, es el método más apropiado para fundir
piezas pequeñas y de gran precisión con acabados de alta calidad.
En el desarrollo de las diferentes prótesis óseas y dentales se recurre a
la fundición de los componentes en hornos muy sofisticados para
obtener una gran precisión y calidad de las piezas fundidas, a partir de
los moldes adecuados. Debido a la afinidad del titanio líquido por el
oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, así como la reactividad con los crisoles
y moldes metálicos, se requiere que la fusión sea al vacío y en crisoles
de grafito.
Las propiedades mecánicas de las piezas de fundición son muy
similares a las de las piezas forjadas y del titanio en general. Se funden
piezas de hasta 600 Kg, tanto de titanio comercial puro como de las
diferentes aleaciones.
La verificación de piezas fundidas se realiza mediante líquidos
penetrantes, rayos X o ultrasonidos.
- Forja
Para la conformación de piezas de titanio por forjado se pueden
utilizar las técnicas y herramientas convencionales que se utilizan para
el forjado de piezas de acero. El forjado en caliente exige controlar
rigurosamente la temperatura con la que se trabaja, para obtener un
control exacto de la estructura de la pieza y de sus propiedades.
Se pueden forjar piezas de cualquier aleación de titanio con
estructura de grado único y con una resistencia y dureza direccionales
o localizadas. Las modernas máquinas herramientas de mecanizado por
Control Numérico está eliminando muchas veces el forjado de piezas
cuando se trata de series reducidas porque es más económico realizar
un mecanizado de desbaste general de la pieza y un posterior acabado
fino que un proceso de forja
La posibilidad de la deformación en caliente si se hace a
temperatura superior a la transformación alotrópica que es equivalente
a la de los aceros inoxidables, puede presentar en algunos casos súper
elasticidad.
Ejemplo de piezas forjadas pueden ser las siguientes:
Bielas de motores de automóviles de competición
Prótesis e implantes médicos
Cabezas de palos de golf
Turbinas de turbo-compresores
Accesorios para tuberías
- Soldadura
A la hora de afrontar la soldadura de piezas de titanio hay que
tener en cuenta que si se supera la temperatura de fusión, puede sufrir
una decoloración porque reacciona fácilmente en contacto con los
gases atmosféricos. Esta decoloración puede suponer pérdida de
ductilidad y de resistencia mecánica. Por lo tanto es muy importante
que en la soldadura se proteja la zona de soldadura con gases inertes.
También perjudican la soldadura los contaminantes de las
superficies a soldar, tales como óxido, polvo, limaduras y virutas, por lo
que deben eliminarse por baño de decapación, mecanizado pulido o
chorro de arena.
la soldadura debe limpiarse con paño de acetona, o cepillo de acero
inoxidable o titanio
El titanio de grado 2 y 5 poseen una buena soldabilidad aunque
pierden un poco de valor de sus propiedades mecánicas con respecto al
metal base.
El equipo de soldadura con arco de gas inerte para titanio (TIG, MIG) es
similar a los equipos utilizados para soldar acero, aunque se requiere
una mejor protección del gas inerte. En caso de piezas críticas donde la
protección gaseosa sea difícil puede ser necesario realizar la soldadura
en una cámara de soldadura.
Para la verificación de piezas soldadas se puede recurrir a los
métodos tradicionales de rayos X, ultrasonidos o líquidos penetrantes.
Los procesos de soldadura que admite el titanio son:
Fricción.
Soldadura con rayo de electrones.
Soldadura por rayo láser.
Soldadura por plasma.
Soldadura por puntos
Soldadura por arco con electrodo consumible o no.
Procesos por fusión, control con atmósfera inerte, o en vacío. No
fundentes.
- Extrusión
Extrusión es, en general, la acción de dar forma o moldear una
masa haciéndola salir por una abertura especialmente dispuesta
El titanio y sus aleaciones permiten ser extruidos, pudiendo obtener
diversos perfiles tanto para acabados en bruto como para piezas finales.
La técnica de extrusión es particularmente recomendable para la
producción de pieza largas y de sección compleja.
- Embutición
La embutición es una técnica de moldeo de metales en caliente
que permite fabricar piezas complejas en un sola operación con la
acción conjunta de una prensa y el molde o troquel adecuado a la pieza
que se quiere fabricar. Para facilitar la embutición es necesario que el
material tenga una gran elongación a la tracción. que se trate de
materiales policristalinos da grano fino a altas temperaturas. Esta
propiedad la tiene la aleación de titanio de grado 5 Ti6Al4V.
La técnica consiste colocar la pieza a moldear entre las dos
mitades del troquel o molde, a la temperatura que permita la mejor
superplasticidad del material. Se insufla argón caliente en la parte
superior del molde y se fuerza la lámina de titanio contra la parte
interior del troquel.
Esta técnica es adecuada solo para lotes de piezas muy grandes,
dado la carestía de los troqueles y moldes, pero tiene la ventaja de que
el tiempo de conformación de la pieza es muy corto, reduciendo así el
periodo de lanzamiento del producto, así como eliminado tareas de
mecanizado posteriores y reduciendo la cantidad de materia prima
utilizada.
- Mecanizado
El mecanizado de piezas de titanio en máquinas herramientas
normales se realiza en condiciones parecidas a las que se utiliza para
mecanizar acero inoxidable o aleaciones de aluminio, y las condiciones
tecnológicas del mecanizado dependerán de la dureza que tenga la
aleación de titanio que se mecanice. El titanio posee un módulo de
elasticidad menor que el del acero y por tanto es más elástico por lo
que las piezas pueden tender a doblarse. Hay que refrigerar el
mecanizado con un refrigerante adecuado teniendo en cuenta que el
titanio es mal conductor térmico y por tanto difícil de refrigerar,
pudiendo deteriorar el filo de corte de las herramientas a consecuencia
de las altas temperaturas en la zona de corte.
- Fresado químico
Las piezas de titanio permiten el fresado químico de tal manera
que se puede conseguir una gran precisión en dicha operación. Para
esta tarea se utiliza un ataque de ácido de superficie, selectivo y
controlado. Las zonas de material que no deben ser fresadas se
protegen con una capa de elastómero de neopreno o de copolímero de
isobutileno-isopropileno.
- Rectificado de precisión
Los rectificados de precisión deben realizarse con muelas
abrasivas muy reavivadas, con el mayor diámetro y espesor posible,
duras y con gran potencia y velocidades lineales adecuadas. Para el
rectificado cilíndrico se recomiendan muelas con alúmina y un
refrigerante adecuado de chorro de gran caudal que sea muy bien
filtrado y cambiarlo a menudo.
- Pulvimetalurgia
La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es un proceso de
fabricación que, partiendo de polvos finos y tras su compactación para
darles una forma determinada (compactado), se calientan en atmósfera
controlada (sinterizado) para la obtención de la pieza.
La pulvimetalurgia del titanio se utiliza para la fabricación de
piezas complejas de espesores muy pequeños, por ejemplo menores de
1 mm, donde se exijan acabados superficiales muy finos.
Se puede conseguir pulvitanio de base mediante las siguientes
técnicas:
Sinterizado compactado en frío
Sinterizado prensado isostático en frío
Prensado isostático en caliente
Prensado en caliente al vacío
Uso Y Aplicaciones.
El titanio es muy utilizado en aleaciones con metales como
aluminio, molibdeno, manganeso, hierro, etc... Otras aleaciones
comunes de titanio son: el ferrocarbono titanio, que se obtiene
reduciendo la ilmenita con coque en un horno eléctrico; el cuprotitanio,
que se produce por la reducción de rutilo al que se ha añadido cobre, y
el manganotitanio, que se obtiene reduciendo el rutilo al que se ha
añadido manganeso u óxidos de manganeso.
Aleado con aluminio y vanadio, se utiliza en los aviones para
fabricar las puertas de incendios, la capa exterior, los componentes del
tren de aterrizaje, el entubado hidráulico y las protecciones del motor.
Los álabes del compresor, los discos y los revestimientos de los motores
a reacción.
Un avión a reacción de transporte utiliza entre 318 y 1.134 kg del
metal, y un avión supersónico, que vuela a velocidades entre los 2.410 y
los 3.220 km/h, utiliza entre 14 y 45 toneladas. El titanio se usa
ampliamente en misiles y cápsulas espaciales; las cápsulas Mercurio,
Gemini y Apolo fueron construidas casi totalmente con titanio.
La relativa inercia del titanio le hace eficaz como sustituto de los
huesos y cartílagos en cirugía, así como para las tuberías y tanques que
se utilizan en la elaboración de los alimentos.
El titanio resiste bien el agua salada, por eso se usa en plantas
desalinizadoras, hélices, aparejos y otros objetos expuestos a este.
Los compuestos del titanio también tienen mucha utilidad:
- El dióxido de titanio (conocido como titanio blanco), es un pigmento
blanco y brillante que se utiliza en pinturas, lacas, plásticos, papel,
tejidos...
Cuando esta en estado puro es realmente claro y tiene un alto índice de
refracción. Se emplea en imitaciones del diamante.
- El tetracloruro es un líquido claro, humeante al aire y de olor
penetrante. Se usa en nieblas artificiales, para irisar vidrio, como
catalizador,...
- El BaTiO3 es piezoeléctrico (se carga eléctricamente al deformarlo).
Esta propiedad lo hace útil en la detección de sonidos subacuaticos al
convertir las vibraciones en señales eléctricas.
- El carburo de titanio, es un sólido cristalino, negro, brillante, muy
duro y estable frente a los ácidos. Se utiliza en la fabricación de sierras.
Bibliografía.
o Smith, W., Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales,
3º edición, 1998, Editorial Mc Graw Hill.
o www.wikipedia.cl
o www.ucv.ve
o Enciclopedia multimedia Encarta.
