Qué es el titanioLa guía definitiva
El titanio es un importante elemento metálico con el símbolo químico Ti y el número atómico 22 en la tabla periódica. Tiene un brillo metálico blanco plateado y posee excelentes propiedades, como un punto de fusión elevado, baja densidad, alta resistencia y gran ductilidad. Titanio es un material industrial crucial. Si quiere saber más sobre el titanio, siga leyendo a continuación.
Otro término para el titanio
El titanio tiene muchas ventajas destacadas, como: baja densidad, fuerte ductilidad y gran resistencia a la corrosión, por lo que también se conoce como "metal milagro", "metal espacial" o "metal marino".
Historia básica del titanio
En 1791, el geólogo aficionado William Gregor descubrió el titanio en Inglaterra. En 1795, el químico alemán Klaproth, haciendo referencia al nombre de las deidades Titán de la mitología griega, bautizó este nuevo elemento con el nombre de "Titanio". No fue hasta 1910 cuando el químico estadounidense Hunter obtuvo por primera vez titanio metálico puro 99,9% reduciendo TiCl con sodio. En 1940, el científico luxemburgués Kroll también produjo titanio puro utilizando el método de reducción del magnesio. Desde entonces, tanto el método de reducción del magnesio como el método de reducción del sodio se han convertido en procesos industriales para la producción de titanio.
El color del titanio
El titanio tiene el aspecto del acero, con un brillo blanco plateado o gris plateado, y es un metal de transición.
¿De qué está hecho el titanio?
El titanio está ampliamente distribuido, representando alrededor del 0,44% de la corteza terrestre, y se encuentra en todas las rocas, arenas, arcillas y otros suelos. Sin embargo, como el titanio reacciona fácilmente con el oxígeno, no se encuentra titanio puro en la naturaleza; existe principalmente en forma de dióxido de titanio. Los minerales de titanio incluyen principalmente ilmenita y rutilo, y el titanio puro puede obtenerse mediante la purificación de estos minerales.
¿Cómo se fabrica el titanio?
El titanio suele producirse mediante el proceso Kroll. En primer lugar, el mineral de titanio se calienta para producir tetracloruro de titanio líquido (TiCl4). A continuación, se purifica mediante destilación fraccionada. Tras la destilación, se añade magnesio fundido para reducirlo a forma de "esponja". A continuación, la esponja se funde para formar lingotes, que se transforman en diversos productos mecánicos como varillas, placas, chapas y tubos. Por último, estos productos mecánicos se siguen procesando y moldeando, y se les aplica el tratamiento superficial necesario para optimizar el producto.
¿Cuáles son los principales tipos de titanio?
El titanio tiene dos tipos de estructuras polimórficas, a saber, la fase α y la fase β. Basándose en las características polimórficas del titanio, las aleaciones de titanio pueden dividirse en las tres categorías principales siguientes: aleaciones de titanio α, aleaciones de titanio β y aleaciones de titanio α+β.
Aleación de titanio Alpha
Las aleaciones de titanio alfa se dividen a su vez en aleaciones totalmente alfa y aleaciones casi alfa. Son aleaciones monofásicas compuestas por una solución sólida de fase alfa. Presentan buenas propiedades de trabajo en frío y en caliente, una estructura estable y una gran resistencia a la oxidación.
Aleación de titanio Beta
Las aleaciones beta de titanio se dividen a su vez en aleaciones beta estables, aleaciones beta metaestables y aleaciones casi beta. Son aleaciones monofásicas compuestas de solución sólida de fase beta y presentan excelentes características de resistencia, alcanzando altos niveles de resistencia. También poseen una gran resistencia a la corrosión y soldabilidad.
Aleación de titanio α+β (Alfa+Beta)
Se trata de una aleación bifásica con buenas propiedades globales, como estructura estable, buena tenacidad, buena plasticidad y resistencia a la deformación a alta temperatura. La aleación puede reforzarse mediante procesos como el prensado en caliente, el temple y el tratamiento de envejecimiento.
¿Cuáles son las calidades habituales del titanio?
Grado 1
Titanio comercial puro de grado 1 es el tipo de titanio más blando y dúctil. Ofrece máxima conformabilidad, excelente resistencia a la corrosión y gran tenacidad al impacto. Es el material preferido para aplicaciones que requieren facilidad de conformado y se utiliza habitualmente en las industrias aeroespacial, automovilística y de generación de energía.
Grado 2
El titanio comercial puro de grado 2 es el más utilizado, con una resistencia moderada y excelentes propiedades de conformado en frío. En comparación con otros grados comerciales de titanio puro, Titanio de grado 2 es ligeramente más débil que el Grado 3 pero más fuerte que el Grado 1, al tiempo que ofrece resistencia a la corrosión. Debido a su resistencia a la corrosión, se utiliza habitualmente en los sectores naval, médico, de generación de energía y petrolero.
Grado 3
El titanio de grado 3 es el menos utilizado entre los grados comerciales de titanio puro, pero ello no disminuye su valor. Tiene una gran resistencia, buena resistencia a la corrosión y soldabilidad. Su resistencia es superior a la de los grados 1 y 2, pero su ductilidad es inferior a la de los otros dos grados. Se suele utilizar en la industria naval, aeroespacial y de procesamiento químico.
Grado 4
El titanio de grado 4 se considera el más fuerte entre los grados comerciales de titanio puro, conocido por su excelente resistencia a la corrosión, buena conformabilidad y soldabilidad. Se utiliza habitualmente en las industrias aeroespacial, química y médica para aplicaciones como estructuras de fuselajes, intercambiadores de calor, equipos quirúrgicos, etc.
Grado 5 o Ti 6Al-4V
Titanio de grado 5Ti6Al-4V, también conocida como Ti6Al-4V, es el "caballo de batalla" de las aleaciones de titanio y es la más utilizada de todas las aleaciones de titanio, con 50% del uso total mundial de titanio. Esta aleación se caracteriza por su ligereza, resistencia extremadamente alta, resistencia al calor, resistencia a la corrosión y conformabilidad. Por ello, es muy utilizada en la industria aeroespacial para fabricar motores, componentes estructurales y elementos de fijación.
Grado 6 o Ti 5Al-2,5Sn
El titanio de grado 6 tiene una estabilidad extremadamente fuerte y mantiene una buena soldabilidad y resistencia incluso a altas temperaturas. También presenta excelentes propiedades de procesamiento. Se suele utilizar para carcasas de motores de turbina, componentes aeronáuticos y piezas de procesamiento químico.
7º curso
El titanio de grado 7 es similar al titanio de grado 2, excepto por la adición del elemento intersticial paladio (en el rango de 0,12% a 0,25%), que mejora su capacidad para resistir la corrosión por intersticios. El grado 7 también presenta una excelente soldabilidad y es el más resistente a la corrosión de todas las aleaciones de titanio. Se utiliza habitualmente en la fabricación de productos químicos, la desalinización de agua de mar y la producción de energía.
Grado 11
El titanio de grado 11, también conocido como CP Ti-0,15Pd, es un titanio comercial puro similar a los de grado 1 y 2, con la adición de una pequeña cantidad de paladio para mejorar la resistencia a la corrosión. Puede utilizarse para evitar la corrosión en grietas y reducir los ácidos en entornos con cloruros. El titanio de grado 11 también presenta alta ductilidad, conformabilidad en frío, resistencia útil, tenacidad al impacto y excelente soldabilidad. Se suele utilizar en procesos químicos e intercambiadores de calor.
Grado 12 o Ti 0,3-Mo 0,8-Ni
El titanio de grado 12, también conocido como Ti 0,3 Mo 0,8 Ni, es una aleación altamente resistente a la corrosión que contiene pequeñas cantidades de níquel y molibdeno. Estos elementos mejoran la resistencia a la corrosión y aumentan la resistencia de la aleación. Se utiliza habitualmente en aplicaciones como buques o plataformas de perforación en alta mar.
Grado 23 o Ti 6AL-4V ELI
El titanio de grado 23, también conocido como Ti 6Al-4V ELI, se caracteriza por su alta ductilidad, alta resistencia, ligereza, resistencia a la corrosión y alta tenacidad. Es la opción preferida para aplicaciones dentales y médicas.
¿Qué grado de titanio es mejor?
El titanio de grado 5 (Ti 6Al-4V) se conoce como el "caballo de batalla" porque representa la mitad de la demanda de titanio. Debido a su amplia gama de propiedades deseables, se ha convertido en el grado de titanio más utilizado. El titanio de grado 5 tiene una gran resistencia, ductilidad, resistencia a la corrosión y estabilidad térmica, y es fácil de procesar y moldear, por lo que se utiliza mucho en sectores como el aeroespacial y el naval.
¿Cuáles son las propiedades del titanio?
A continuación se indican las propiedades físicas y químicas del titanio:
Propiedades físicas
Densidad: 4,5 gramos/centímetro cúbico
Color: Brillo metálico blanco plateado
Fuerza: La resistencia del titanio depende del grado de titanio y de la concentración de sus elementos de aleación.
Abundancia: El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre, casi presente en todas las rocas y sedimentos.
Resistencia a la temperatura: El titanio soporta temperaturas más altas y más bajas que el acero inoxidable y el aluminio.
Ductilidad: La ductilidad del titanio oscila entre 6% de alargamiento (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) y 25% (Grado 1 comercialmente puro).
Propiedades químicas
Oxidación: Debido a su alto potencial de oxidación, el titanio no existe en estado puro en la naturaleza, sino en forma de óxidos en rocas y minerales.
Reactividad: Reacciona con los ácidos y los halógenos a altas temperaturas, pero no reacciona en absoluto con los álcalis.
Resistencia a la corrosión: El titanio es extremadamente resistente a la corrosión por ácidos, álcalis y agua de mar, ya que las moléculas de oxígeno se combinan con el titanio para formar óxido de titanio.
Maquinabilidad: Es fácil de transformar en productos de diversas formas, como varillas, placas, tubos, etc.
Proceso de fabricación del metal titanio
El proceso Kroll se utiliza para convertir el titanio bruto en titanio metálico. Las etapas de este proceso incluyen la extracción, la purificación, la producción de esponjas, la fabricación de aleaciones, así como la conformación y el moldeado.
1. Extracción
Los concentrados de alta calidad se extraen de minerales en bruto como la ilmenita y el rutilo y se envían a las fábricas para su procesamiento. Tras un pretratamiento para eliminar el contenido de hierro, la ilmenita se introduce en un reactor de lecho fluidizado que contiene cloro y carbono y se calienta a 900 °C. Durante la reacción química se produce tetracloruro de titanio junto con monóxido de carbono. Durante la reacción química, se produce tetracloruro de titanio junto con monóxido de carbono. El tetracloruro de titanio contiene impurezas que deben eliminarse para preparar el dióxido de titanio.
2. Purificación
El tetracloruro de titanio se somete a una destilación al vacío a alta temperatura para su purificación. El metal producido durante el proceso de extracción se calienta en grandes tanques de destilación. El proceso de purificación utiliza la destilación fraccionada y la precipitación para separar las impurezas. Debido a los diferentes puntos de ebullición de los distintos elementos, durante el proceso de destilación se eliminan varios elementos cuando alcanzan sus puntos de ebullición. Entre las impurezas eliminadas se encuentran el vanadio, el silicio, el magnesio, el circonio y el hierro.
3. Formación de esponjas
Con la formación de esponja, el tetracloruro de titanio purificado se vierte en recipientes de reacción de acero inoxidable en forma líquida. Se añade magnesio y la mezcla se calienta a 1100°C para que reaccione con el cloro y produzca cloruro de magnesio. Se bombea gas argón para eliminar el aire y evitar reacciones con el oxígeno y el nitrógeno. El titanio producido se extrae mediante perforación y se trata con una mezcla de agua y ácido clorhídrico para eliminar el exceso de magnesio y cloruro de magnesio. El titanio resultante se presenta en forma de esponja.
4. Creación de aleaciones
El titanio esponjoso puro se mezcla con diversas aleaciones y chatarra para fabricar aleaciones. Tras fundir y mezclar los metales en proporciones adecuadas, los trozos se compactan y sueldan para formar electrodos de esponja. Éstos se funden en un horno de arco al vacío para formar lingotes que luego se transforman en diversos productos industriales y comerciales.
5. Moldeado y conformado
Los lingotes se extraen del horno, se inspeccionan, se embalan y se transportan para fabricar productos de aleación de titanio. Las propiedades de cada lingote se inspeccionan para garantizar que cumplen los requisitos del cliente. Los lingotes se someten a distintos procesos, como soldadura, conformado, fundición, forja y pulvimetalurgia, durante el proceso de fabricación del producto.
¿Cuáles son los beneficios del titanio?
Alta resistencia: El titanio posee una excelente resistencia, lo que lo convierte en uno de los metales más fuertes de la tabla periódica. Debido a su baja densidad, el titanio también es muy ligero.
Resistencia a la corrosión: El titanio reacciona fácilmente con el oxígeno, formando una fina capa de óxido en su superficie, que le proporciona una resistencia natural a la corrosión.
Biocompatibilidad: El titanio no es tóxico y es biocompatible tanto con humanos como con animales. Por ello, el titanio se utiliza con frecuencia en la industria médica y dental.
Bajo coeficiente de expansión térmica: El titanio tiene un bajo coeficiente de dilatación térmica, por lo que su expansión y contracción a temperaturas extremas es mínima, lo que se traduce en una mayor estabilidad estructural.
Alto punto de fusión: El titanio tiene un punto de fusión extremadamente alto (aproximadamente 1668 °C), lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones de alta temperatura como fundiciones y motores a reacción de turbina.
Excelentes posibilidades de fabricación: A pesar de ser un metal muy resistente, el titanio también es blando y dúctil. Esto permite fabricar componentes de titanio mediante diversos procesos de fabricación.
¿Cuáles son las limitaciones del titanio?
Caro: El titanio se considera un metal raro, y su purificación es cara y compleja.
Difícil de moldear: Se necesita maquinaria avanzada y equipos especializados para darle formas útiles.
Reacciona a altas temperaturas: Esto hace que la fabricación de titanio puro y aleaciones de titanio sea engorrosa y esté muy controlada. La producción de titanio debe realizarse en entornos anaeróbicos estrictamente controlados.
Mala conductividad térmica: El titanio es un material con escasa conductividad térmica, lo que dificulta su procesamiento.
¿Qué aplicaciones tiene el titanio?
Aeroespacial: Las aleaciones de titanio son valoradas en la industria aeroespacial por su elevada relación resistencia/densidad, su resistencia a la corrosión y su capacidad para soportar temperaturas moderadas sin fluencia.
Automóvil: El titanio es el material preferido en la industria del automóvil por su baja densidad, su elevada relación resistencia-peso, su resistencia a la corrosión y su resistencia al calor.
Industrial: El titanio se utiliza ampliamente en entornos industriales debido a su alta resistencia, resistencia a la corrosión, ligereza y durabilidad. Sus aplicaciones incluyen intercambiadores de calor, válvulas, tuberías y bielas.
Médico: El titanio no es tóxico y es biocompatible con los huesos humanos, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones médicas. Tiene propiedades inherentes para la integración ósea y puede utilizarse para implantes dentales que pueden durar más de 30 años, lo que también es útil para aplicaciones de implantes ortopédicos.
Efectos del titanio metálico en la salud y el medio ambiente
Efectos del titanio sobre la salud: El titanio metálico es un material biocompatible con una excelente biocompatibilidad y no es tóxico. Se utiliza habitualmente en instrumentos médicos e implantes y no tiene efectos nocivos en el cuerpo humano.
Efectos medioambientales del titanio: El titanio no libera sustancias tóxicas, por lo que evita impactos medioambientales adversos. Sin embargo, durante el proceso de producción del titanio pueden generarse algunos residuos o emisiones de gases de escape. No obstante, con una gestión eficaz y medidas proactivas de tratamiento, el impacto medioambiental puede minimizarse al máximo.
Preguntas frecuentes
¿Cuánto cuesta el titanio?
El coste del titanio puro comercial es de aproximadamente $23-25 por kilogramo, mientras que el de las aleaciones de titanio es de aproximadamente $27-30 por kilogramo.
¿Cuál es la calidad de titanio más barata?
Actualmente, el titanio de grado 1 tiene un precio relativamente más bajo, dependiendo principalmente de los requisitos específicos de la aplicación y de las condiciones de suministro del mercado.
¿Qué grado de titanio se utiliza para el anodizado?
Tanto el titanio de grado 2 como el de grado 3 pueden utilizarse para el tratamiento de anodizado.
¿Es el titanio a prueba de óxido?
Sí, las aleaciones de titanio tienen una excelente resistencia a la corrosión y pueden soportar la erosión de muchos productos químicos.
¿Es magnético el titanio?
En términos generales, el titanio puro no suele ser magnético porque su estructura cristalina no admite el magnetismo. Sin embargo, algunas aleaciones de titanio pueden presentar magnetismo, dependiendo de los tipos y concentraciones de los elementos de aleación.
¿Es el titanio a prueba de balas?
Sí, el titanio es a prueba de balas para pistolas y rifles de caza, pero para equipamiento militar, el titanio no es a prueba de balas.
¿Cuál es la diferencia entre el titanio y el aluminio?
Características del material: El titanio tiene mayor fuerza y resistencia a la corrosión que el aluminio, siendo también más ligero que éste, pero es más costoso. El aluminio es un metal ligero con buena conductividad térmica y eléctrica y menor coste que el titanio.
Aplicaciones: El titanio se utiliza habitualmente en aplicaciones que requieren gran resistencia y resistencia a la corrosión, como la industria aeroespacial y los dispositivos médicos. El aluminio tiene una gama más amplia de aplicaciones, como la industria aeroespacial, la automoción, la construcción y la electrónica.
Dificultad de procesamiento: Debido a su mayor solidez y resistencia a la corrosión, el titanio es más difícil de procesar, por lo que requiere equipos y técnicas de procesamiento de mayor nivel. En cambio, el aluminio es relativamente fácil de procesar y puede mecanizarse y conformarse con métodos convencionales.
¿Qué grado de titanio se utiliza para la impresión 3D?
El titanio de grado 5, también conocido como Ti-6Al-4V, se utiliza habitualmente en impresión 3D por su excelente relación resistencia-peso y biocompatibilidad.
Conclusión
Este artículo presenta qué es el titanio, su historia de desarrollo, tipos de titanio, clasificación de los grados de titanio, información básica sobre sus características, etc. El proceso de formación de las aleaciones de titanio se explica principalmente mediante el método de Kroll, junto con las ventajas y desventajas del titanio y sus áreas de aplicación.
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