• Categories
• Titanio
• Soldadura
• Mecanizado
• Aluminio
• Aleación

Citation preview

Facultad de Ingeniería Ciencias de los Materiales Universidad 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 α , la fase α primaria (α ´) proveniente del proceso de fusión , la cual se localiza en los antiguos límites de grano de fase β y la fase α secundaria (α "), proveniente de la transformación de β durante los ciclos de tratamiento térmico. La fase α " puede presentar diferentes morfologías : aserrada, acicular , placas y Widmanstätten. La fase α 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 β . Esta morfología es producida por un mecanismo de nucleación y crecimiento a lo largo de planos cristalográficos preferenciales en la fase β . 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.