O que é o titânio:O guia definitivo
O titânio é um importante elemento metálico com o símbolo químico Ti e o número atómico 22 na tabela periódica. Tem um brilho metálico branco-prateado e possui excelentes propriedades, tais como elevado ponto de fusão, baixa densidade, elevada resistência e forte ductilidade. Titânio é um material industrial crucial. Se quiser saber mais sobre o titânio, continue a ler abaixo!
O outro termo para titânio
O titânio tem muitas vantagens notáveis, tais como: baixa densidade, forte ductilidade e forte resistência à corrosão, pelo que também é conhecido como "metal milagroso", "metal espacial" ou "metal marinho".
Uma história básica do titânio
Em 1791, o titânio foi descoberto em Inglaterra pelo geólogo amador William Gregor. Em 1795, o químico alemão Klaproth, referindo-se ao nome das divindades Titãs da mitologia grega, chamou a este novo elemento "Titânio". Só em 1910 é que o químico americano Hunter obteve pela primeira vez 99,9% de titânio metálico puro, reduzindo o TiCl com sódio. Em 1940, o cientista luxemburguês Kroll também produziu titânio puro utilizando o método de redução do magnésio. Desde então, tanto o método de redução do magnésio como o método de redução do sódio tornaram-se processos industriais para a produção de titânio.
A cor do titânio
O titânio metálico tem a aparência do aço, com um brilho branco-prateado ou cinzento-prateado, e é um metal de transição.
De que é feito o titânio?
O titânio está amplamente distribuído, representando cerca de 0,44% da crosta terrestre, e encontra-se em todas as rochas, areias, argilas e outros solos. No entanto, como o titânio reage facilmente com o oxigénio, o titânio puro não se encontra na natureza; existe principalmente sob a forma de dióxido de titânio. Os minérios de titânio incluem principalmente a ilmenite e o rutilo, e o titânio puro pode ser obtido através da purificação destes minerais.
Como é que o titânio é fabricado?
O titânio é normalmente produzido através do processo Kroll. Em primeiro lugar, o minério de titânio é aquecido para produzir tetracloreto de titânio líquido (TiCl4). Em seguida, a purificação é feita através de destilação fraccionada. Após a destilação, é adicionado magnésio fundido para o reduzir à forma de "esponja". A esponja é então fundida para formar lingotes, que são posteriormente transformados em vários produtos mecânicos, como barras, placas, chapas e tubos. Por fim, estes produtos mecânicos são ainda processados e moldados, sendo aplicado um tratamento de superfície conforme necessário para otimizar o produto.
Quais são os principais tipos de titânio?
O titânio tem dois tipos de estruturas polimórficas, nomeadamente a fase α e a fase β. Com base nas caraterísticas polimórficas do titânio, as ligas de titânio podem ser divididas nas três categorias principais a seguir: ligas de titânio α, ligas de titânio β e ligas de titânio α + β.
Liga de titânio alfa
As ligas alfa de titânio dividem-se ainda em ligas alfa completas e ligas quase alfa. São ligas monofásicas compostas por solução sólida de fase alfa. Apresentam boas propriedades de trabalho a frio e a quente, estrutura estável e forte resistência à oxidação.
Liga de titânio Beta
As ligas de titânio beta dividem-se ainda em ligas beta estáveis, ligas beta metaestáveis e ligas quase beta. São ligas monofásicas compostas por solução sólida de fase beta e apresentam excelentes caraterísticas de resistência, atingindo elevados níveis de resistência. Possuem também uma forte resistência à corrosão e soldabilidade.
Liga de titânio α+β (Alfa+Beta)
É uma liga bifásica com boas propriedades abrangentes, incluindo estrutura estável, boa tenacidade, boa plasticidade e resistência à deformação a alta temperatura. A liga pode ser reforçada através de processos como a prensagem a quente, a têmpera e o tratamento de envelhecimento.
Quais são os tipos mais comuns de titânio?
Grau 1
Titânio comercial puro de grau 1 é o tipo de titânio mais macio e mais dúctil. Oferece máxima maleabilidade, excelente resistência à corrosão e elevada resistência ao impacto. É o material preferido para aplicações que requerem facilidade de conformação e é normalmente utilizado nas indústrias aeroespacial, automóvel e de produção de energia.
Grau 2
O titânio puro comercial de grau 2 é o titânio puro comercial mais utilizado, com resistência moderada e excelentes propriedades de conformação a frio. Comparado com outros graus de titânio comercial puro, Titânio de grau 2 é ligeiramente mais fraco do que o Grau 3, mas mais forte do que o Grau 1, continuando a oferecer resistência à corrosão. Devido à sua resistência à corrosão, é normalmente utilizado nas indústrias marítima, médica, de produção de energia e petrolífera.
Grau 3
O titânio de grau 3 é o menos utilizado entre os graus comerciais de titânio puro, mas isso não diminui o seu valor. Tem uma elevada resistência, boa resistência à corrosão e capacidade de soldadura. A sua resistência é superior à do Grau 1 e do Grau 2, mas a sua ductilidade é inferior à dos outros dois graus. É normalmente utilizado na indústria marítima, aeroespacial e nas indústrias de processamento químico.
Grau 4
O titânio de grau 4 é considerado o mais forte entre os graus comerciais de titânio puro, conhecido pela sua excelente resistência à corrosão, boa formabilidade e soldabilidade. É normalmente utilizado nas indústrias aeroespacial, de processamento químico e médica para aplicações como estruturas de fuselagem, permutadores de calor, material cirúrgico, etc.
Grau 5 ou Ti 6Al-4V
Titânio de grau 5também conhecida como Ti6Al-4V, é referida como o "cavalo de batalha" das ligas de titânio e é a mais utilizada entre todas as ligas de titânio, representando 50% da utilização global total de titânio. Esta liga caracteriza-se pela sua leveza, força extremamente elevada, resistência ao calor, resistência à corrosão e maleabilidade. Por conseguinte, é muito utilizada na indústria aeroespacial para o fabrico de motores, componentes estruturais e elementos de fixação.
Grau 6 ou Ti 5Al-2.5Sn
O titânio de grau 6 tem uma estabilidade extremamente forte e mantém uma boa soldabilidade e resistência mesmo a temperaturas elevadas. Apresenta também excelentes propriedades de processamento. É normalmente utilizado em invólucros de motores de turbina, componentes de aeronaves e peças de processamento químico.
Grau 7
O titânio de grau 7 é semelhante ao titânio de grau 2, exceto pela adição do elemento intersticial paládio (na gama de 0,12% a 0,25%), que aumenta a sua capacidade de resistência à corrosão em fendas. O grau 7 também apresenta excelente soldabilidade e é o mais resistente à corrosão entre todas as ligas de titânio. É normalmente utilizado no fabrico de produtos químicos, na dessalinização da água do mar e na produção de energia.
11º ano
O titânio de grau 11, também conhecido como CP Ti-0.15Pd, é um titânio comercial puro semelhante ao grau 1 e ao grau 2, com a adição de uma pequena quantidade de paládio para aumentar a resistência à corrosão. Pode ser utilizado para evitar a corrosão em fendas e reduzir os ácidos em ambientes de cloreto. O titânio de grau 11 também apresenta elevada ductilidade, conformabilidade a frio, resistência útil, resistência ao impacto e excelente soldabilidade. É normalmente utilizado no processamento químico e em permutadores de calor.
Grau 12 ou Ti 0,3-Mo 0,8-Ni
O titânio de grau 12, também conhecido como Ti 0,3 Mo 0,8 Ni, é uma liga altamente resistente à corrosão que contém pequenas quantidades de níquel e molibdénio. Estes elementos melhoram a resistência à corrosão e aumentam a resistência da liga. É normalmente utilizada em aplicações como navios ou plataformas de perfuração offshore.
Grau 23 ou Ti 6AL-4V ELI
O titânio de grau 23, também conhecido como Ti 6Al-4V ELI, caracteriza-se por uma elevada ductilidade, elevada resistência, leveza, resistência à corrosão e elevada tenacidade. É a escolha preferida para aplicações dentárias e médicas.
Qual é o melhor tipo de titânio?
O titânio de grau 5 (Ti 6Al-4V) é conhecido como o "cavalo de batalha" porque é responsável por metade da procura de titânio. Devido à sua vasta gama de propriedades desejáveis, tornou-se o grau de titânio mais comummente utilizado. O titânio de grau 5 tem alta resistência, alta ductilidade, forte resistência à corrosão, excelente estabilidade térmica e é fácil de processar e moldar, tornando-o amplamente utilizado em indústrias como a aeroespacial e a marinha.
Quais são as propriedades do titânio?
Apresentamos de seguida as propriedades físicas e químicas do titânio:
Propriedades físicas
Densidade: 4,5 gramas/centímetro cúbico
Cor: Brilho metálico branco-prateado
Força: A resistência do titânio depende do grau de titânio e da concentração dos seus elementos de liga.
Abundância: O titânio é o nono elemento mais abundante na crosta terrestre, quase presente em todas as rochas e sedimentos.
Resistência à temperatura: O titânio pode suportar temperaturas mais altas e mais baixas em comparação com o aço inoxidável e o alumínio.
Ductilidade: A ductilidade do titânio varia entre 6% de alongamento (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo) e 25% (Grau 1 comercialmente puro).
Propriedade química
Oxidação: Devido ao seu elevado potencial de oxidação, o titânio não existe na sua forma pura na natureza, mas sim sob a forma de óxidos em rochas e minerais.
Reatividade: Reage com ácidos e halogéneos a altas temperaturas, mas não reage com álcalis.
Resistência à corrosão: O titânio tem uma resistência à corrosão extremamente forte, resistindo à corrosão de ácidos, álcalis e água do mar, porque as moléculas de oxigénio se combinam com o titânio para formar óxido de titânio.
Maquinabilidade: É fácil de transformar em várias formas de produtos, tais como varas, placas, tubos, etc.
Processo de fabrico de metal de titânio
O processo Kroll é utilizado para converter titânio bruto em titânio metálico. As etapas deste processo incluem a extração, a purificação, a produção de esponjas, o fabrico de ligas, bem como a moldagem e a conformação.
1. Extração
Os concentrados de alta qualidade são extraídos de minérios brutos, como a ilmenite e o rutilo, e enviados para fábricas para processamento. Após um pré-tratamento para remover o teor de ferro, a ilmenite é colocada num reator de leito fluidizado contendo cloro e carbono e aquecida a 900°C. Durante a reação química, o tetracloreto de titânio é produzido juntamente com monóxido de carbono. O tetracloreto de titânio contém impurezas que precisam de ser removidas para preparar o dióxido de titânio.
2. Purificação
Para a sua purificação, o tetracloreto de titânio é submetido a uma destilação de vácuo a alta temperatura. O metal produzido durante o processo de extração é aquecido em grandes tanques de destilação. O processo de purificação utiliza a destilação fraccionada e a precipitação para separar as impurezas. Devido aos diferentes pontos de ebulição dos vários elementos, durante o processo de destilação, vários elementos são removidos quando atingem os seus pontos de ebulição. As impurezas removidas incluem o vanádio, o silício, o magnésio, o zircónio e o ferro.
3. Formação de esponjas
Com a formação da esponja, o tetracloreto de titânio purificado é vertido em recipientes de reação de aço inoxidável na forma líquida. É adicionado magnésio e a mistura é aquecida a 1100°C para reagir com o cloro e produzir cloreto de magnésio. O gás árgon é bombeado para remover o ar, evitando reacções com o oxigénio e o azoto. O titânio produzido é extraído através de perfuração e tratado com uma mistura de água e ácido clorídrico para remover o excesso de magnésio e cloreto de magnésio. O titânio resultante apresenta-se sob a forma de esponja.
4. Criação de ligas
O titânio esponjoso puro é misturado com várias ligas e sucatas metálicas para fabricar ligas. Após a fusão e a mistura dos metais em proporções adequadas, os pedaços são compactados e soldados para formar eléctrodos de esponja. Estes são fundidos num forno de arco de vácuo para formar lingotes para posterior transformação em vários produtos industriais e comerciais.
5. Moldagem e conformação
Os lingotes são retirados do forno, inspeccionados, embalados e transportados para o fabrico de produtos de liga de titânio. As propriedades de cada lingote são inspeccionadas para garantir que cumprem os requisitos do cliente. Os lingotes são submetidos a diferentes processos, tais como soldadura, moldagem, fundição, forjamento e metalurgia do pó durante o processo de fabrico do produto.
Quais são os benefícios do titânio?
Alta resistência: O titânio possui uma excelente resistência, o que o torna um dos metais mais fortes da tabela periódica. Devido à sua baixa densidade, o titânio é também muito leve.
Resistência à corrosão: O titânio reage facilmente com o oxigénio, formando uma fina camada de óxido na sua superfície, o que proporciona uma resistência natural à corrosão.
Biocompatibilidade: O titânio não é tóxico e é biocompatível com os seres humanos e os animais. Por conseguinte, o titânio é frequentemente utilizado nas indústrias médica e dentária.
Baixo coeficiente de expansão térmica: O titânio tem um baixo coeficiente de expansão térmica, o que resulta numa expansão e contração mínimas a temperaturas extremas, levando a uma maior estabilidade estrutural.
Ponto de fusão elevado: O titânio tem um ponto de fusão extremamente elevado (aproximadamente 1668°C), o que o torna altamente adequado para aplicações a alta temperatura, como fundições e motores a jato de turbina.
Excelentes possibilidades de fabrico: Apesar de ser um metal muito forte, o titânio é também macio e dúctil. Isto permite que os componentes de titânio sejam fabricados utilizando vários processos de fabrico.
Quais são as limitações do titânio?
Caro: O titânio é considerado um metal raro e a sua purificação é dispendiosa e complexa.
Difícil de moldar: São necessárias máquinas avançadas e equipamento especializado para o moldar em formas úteis.
Reage a altas temperaturas: Este facto torna o fabrico de titânio puro e de ligas de titânio complicado e altamente controlado. A produção de titânio deve ser efectuada em ambientes anaeróbicos rigorosamente controlados.
Fraca condutividade térmica: O titânio é um material com fraca condutividade térmica, o que dificulta o seu processamento.
Quais são as aplicações do titânio?
Aeroespacial: As ligas de titânio são valorizadas na indústria aeroespacial pela sua elevada relação resistência/densidade, resistência à corrosão e capacidade de suportar temperaturas moderadas sem fluência.
Automóvel: O titânio é preferido na indústria automóvel devido à sua baixa densidade, elevada relação resistência/peso, resistência à corrosão e resistência ao calor.
Industrial: O titânio é amplamente utilizado em ambientes industriais devido à sua elevada força, resistência à corrosão, leveza e durabilidade. As suas aplicações incluem permutadores de calor, válvulas, tubos e bielas.
Médico: O titânio não é tóxico e é biocompatível com os ossos humanos, o que o torna altamente adequado para aplicações médicas. Tem propriedades inerentes à integração óssea e pode ser utilizado para implantes dentários que podem durar mais de 30 anos, o que também é útil para aplicações de implantes ortopédicos.
Efeitos do titânio metálico na saúde e no ambiente
Efeitos do titânio na saúde: O titânio metálico é um material biocompatível com excelente biocompatibilidade e não é tóxico. É comummente utilizado em instrumentos médicos e implantes e não tem efeitos nocivos no corpo humano.
Efeitos ambientais do titânio: O titânio não liberta substâncias tóxicas, evitando assim impactos ambientais adversos. No entanto, durante o processo de produção do titânio, podem ser gerados alguns resíduos ou emissões de gases de escape. No entanto, com uma gestão eficaz e medidas de tratamento proactivas, o impacto ambiental pode ser minimizado ao máximo.
FAQs
Qual é o custo do titânio?
O custo do titânio puro comercial é de aproximadamente $23-25 por quilograma, enquanto o custo das ligas de titânio é de aproximadamente $27-30 por quilograma.
Qual é o tipo de titânio mais barato?
Atualmente, o preço do titânio de grau 1 é relativamente mais barato, dependendo principalmente dos requisitos de aplicações específicas e das condições de fornecimento do mercado.
Que tipo de titânio é utilizado para a anodização?
Tanto o titânio de grau 2 como o de grau 3 podem ser utilizados para o tratamento de anodização.
O titânio é à prova de ferrugem?
Sim, as ligas de titânio têm uma excelente resistência à corrosão e podem suportar a erosão de muitos produtos químicos.
O titânio é magnético?
De um modo geral, o titânio puro é tipicamente não magnético porque a estrutura cristalina do titânio puro não suporta o magnetismo. No entanto, certas ligas de titânio podem exibir magnetismo, dependendo dos tipos e concentrações dos elementos de liga.
O titânio é à prova de bala?
Sim, o titânio tem capacidades à prova de bala para armas de mão e espingardas de caça, mas para equipamento militar, o titânio não é à prova de bala.
Qual é a diferença entre o titânio e o alumínio?
Caraterísticas do material: O titânio tem maior força e resistência à corrosão do que o alumínio, sendo também mais leve do que este, mas é mais caro. O alumínio é um metal leve, com boa condutividade térmica e eléctrica e um custo inferior ao do titânio.
Aplicações: O titânio é normalmente utilizado em aplicações que requerem elevada resistência e resistência à corrosão, tais como dispositivos aeroespaciais e médicos. O alumínio tem uma gama mais vasta de aplicações, incluindo a indústria aeroespacial, automóvel, construção e eletrónica.
Dificuldade de processamento: Devido à sua maior força e resistência à corrosão, o titânio é mais difícil de processar, exigindo equipamento e técnicas de processamento de nível superior. Em contrapartida, o alumínio é relativamente fácil de processar e pode ser maquinado e moldado utilizando métodos convencionais.
Que tipo de titânio é utilizado na impressão 3D?
O titânio de grau 5, também conhecido como Ti-6Al-4V, é normalmente utilizado na impressão 3D devido à sua excelente relação resistência/peso e biocompatibilidade.
Conclusão
Este artigo apresenta o que é o titânio, a sua história de desenvolvimento, os tipos de titânio, a classificação dos graus de titânio, informações básicas sobre as suas caraterísticas, etc. O processo de formação das ligas de titânio é explicado principalmente através do método Kroll, juntamente com as vantagens e desvantagens do titânio e as suas áreas de aplicação.
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