TitanioIng. Jaime Gonzlez Vivas

Historia del titanio.El titanio es el noveno elemento ms abundante en la corteza de la Tierra, con un 0,8% en peso, si bien no es tan frecuente su existencia en concentraciones que hagan econmicamente viable su extraccin. Principalmente est presente en rocas gneas y en los sedimentos derivados de ellas, pero tambin en muchos silicatos remplazando al silicio. Los minerales que muestran una mayor concentracin de titanio son el rutilo (TiO2) y la ilmenita (FeO-TiO2), adems de la anatasa y la brookita (ambas son tambin TiO2).

El titanio y sus aleaciones son materiales de ingeniera relativamente nuevos. Aunque el titanio como elemento qumico fue identificado en 1791, la utilizacin industrial del titanio y sus aleaciones no comenz hasta casi mediados del siglo XIX. Es a partir del ao 1946 que se empieza a usar el titanio fuera del laboratorio y en la dcada del 60 y 70 juega un papel muy importante en la guerra fra.

Aunque el titanio es el que presenta mejores propiedades especficas (relacin entre resistencia y densidad), se destina solamente a aplicaciones muy puntuales en determinadas reas debido a su elevado coste. Este coste es debido principalmente a su gran reactividad con el oxgeno que hace necesario en la etapa de obtencin y procesado, trabajar en condiciones de vaco o atmsfera inerte. Por otra parte, su gran reactividad con el oxgeno permite la formacin inmediata de una capa de oxido de TiO2 cuando se expone al aire. Esta capa no se desprende con facilidad, queda muy bien adherida (como en el aluminio) y le confiere una excelente resistencia a la corrosin y a la contaminacin en diferentes medios agresivos, especialmente en medios cidos acuosos.

Durante los aos 50 y 60 la Unin Sovitica promovi el empleo de titanio en usos militares y submarinos (Clase Alfa y Clase Miguel) como parte de sus programas militares relacionados con la guerra fra. En los EE.UU. el Departamento de Defensa (DOD) comprendi la importancia estratgica del metal y apoy los esfuerzos para su comercializacin. A lo largo del perodo de la guerra fra, el gobierno estadounidense consider al titanio como un material estratgico, y las reservas de esponja de titanio fueron mantenidas por el Centro de Reservas Nacional de Defensa, que desapareci en 2005. Hoy el mayor productor mundial es el consorcio ruso VSMPO-AVISMA, que representa aproximadamente el 29% de la cuota mundial de

Minerales de los que se obtieneEste elemento es, en cuanto a su abundancia, el noveno de los que forman la corteza terrestre. Virtualmente, todas las rocas gneas, y sus sedimentos, contienen titanio. El mineral ms importante del que se extrae titanio es el rutilo (xido de titanio), muy abundante en las arenas costeras. Por su parte el titanio debe ser sometido previamente a un proceso metalrgico de refinado.

Mtodos de obtencin Se trata el mineral con cloro, en presencia de coque, para formar tetracloruro de titanio; este ltimo se reduce pasndolo por magnesio lquido (800 C) en atmsfera de argn. A pequea escala se vaporiza y se descompone a vaco el tetrayoduro de titanio. Posteriormente, el metal se purifica mediante fusin por zonas.

Caractersticas o propiedadesCaractersticas fsicas Es un metal de transicin. Ligero: su densidad o peso especfico es de 4,507 kg/m3. Tiene un punto de fusin de 1675 C. La masa atmica del titanio es de 47,867 u. Es de color plateado grisceo. Es paramagntico Reciclable. Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecnicas. Es muy resistente a la corrosin y oxidacin. Poca conductividad: No es muy buen conductor del calor ni de la electricidad.

Caractersticas mecnicas Entre las caractersticas mecnicas del titanio se tienen las siguientes: Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable. Permite fresado qumico. Maleable, permite la produccin de lminas muy delgadas. Dctil, permite la fabricacin de alambre delgado. Duro. Escala de Mohs 6. Muy resistente a la traccin. Gran tenacidad.Permite la fabricacin de piezas por fundicin y moldeo. Material soldable. Permite varias clases de tratamientos tanto termoqumicos como superficiales.

Caractersticas qumicas Se encuentra en forma de xido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas. centrada en el cuerpo (bcc) se conoce como fase beta. La resistencia a la corrosin que presenta es debida al fenmeno de pasivacin que sufre (se forma un xido que lo recubre).

Estructura cristalina.El titanio es el nico metal ligero que presenta dimorfismo, ya que en estado puro presenta una transformacin alotrpica a 822C, cambiando de una estructura cristalina hexagonal compacta (fase ) a una estructura cbica centrada en el cuerpo (fase ). En la figura se pueden observar ambas estructuras cristalinas.Estructura cristalina del titanio: (a) Titanio a: estructura hexagonal compacta, () Titanio (b): estructura cbica centrada en cuerpo ().

Esta transformacin posibilita la obtencin de aleaciones con microestructuras del tipo , o + , dependiendo de los elementos aleantes que estabilizan una u otra fase.

Los elementos de aleacin cambian la temperatura de la transformacin alotrpica y pueden dividirse en cuatro grupos, -estabilizadores (Al, O, N, C), -estabilizadores, que se a su vez se subdividen en: -isomorfos (V, Mo, Nb, Ta) y -eutectoide (Fe, Mn, Cr, Ni, Cu, Si) y neutralizadores (Zr, Sn). Ciertas adiciones como las de estao producen un endurecimiento por solucin slida sin afectar la temperatura de transformacin. En la figura 3 se muestra el efecto de los aleantes en el diagrama de fases del titanio.

Efecto de los elementos de aleacin en el diagrama de fases del titanio: (a) estabilizador , (b) estabilizador isomorfo y (c) estabilizador eutectoide.

Clasificacin de las aleaciones de titanio.Es frecuente dividir las aleaciones de titanio en tres grupos, en funcin de las fases presentes:Aleaciones y casi-Aleaciones + Aleaciones

Aleaciones y casi-.Las aleaciones de titanio presentan estructura hexagonal compacta a bajas temperaturas. Contienen normalmente aluminio, estao y/o circonio, siendo elegidas principalmente para aplicaciones a temperaturas elevadas y criognicas. No son sensibles a tratamientos trmicos por lo que se utiliza la combinacin de trabajo en frio y enfriamiento controlado para modificar sus propiedades. Las aleaciones con este tipo de estructuras son generalmente ms resistentes a la fluencia en caliente que las de estructura a +

Aleaciones + Las aleaciones + contienen, tanto elementos estabilizadores de la fase como de la . Estas aleaciones retienen a temperatura ambiente, tras el tratamiento trmico, ms fase que las aleaciones casi . Las aleaciones + pueden mejorar sus caractersticas mecnicas por tratamientos trmicos de solubilizacin y envejecimiento. Estos tratamientos puede incrementar la resistencia a la traccin entre un 30 y un 50 % respecto a la resistencia en estado recocido.En este grupo de aleaciones se encuentra la conocida Ti 6AI 4V, que es la aleacin de titanio ms popular y empleada de todas las existentes en la industria, aproximadamente un 45% de la produccin de titanio se dedica a dicha aleacin, mientras un 30% se destina a los grados de titanio sin alear (titanio puro comercial o Ti c.p.) y el otro 25% se reparte entre todas las dems aleaciones.

Aleaciones .Las aleaciones de titanio tienen mayor contenido en elementos estabilizantes de la fase y menor contenido de elementos alfgenos que las aleaciones + . Se caracterizan por su elevada capacidad de endurecimiento, ya que, por ejemplo en espesores pequeos, llegan a templar al aire y retienen completamente la fase .Debido a su estructura predominante , son aleaciones que se procesan muy bien mediante conformacin por deformacin plstica, pudindose deformar en fro mucho mejor que las aleaciones o + . Su mdulo de elasticidad suele ser bajo por lo que son adecuadas para algunas aplicaciones concretas en el campo biomdico ya que evitan el apantallamiento de tensiones de la prtesis hacia el hueso o aplicaciones aeroespacial.

Propiedades mecnicas de distintas aleaciones de titanio.Como ya hemos visto en el apartado anterior, las propiedades de las aleaciones de titanio varan en funcin de los elementos aleantes que contienen ya que producen cambios en la estructura cristalina. En las tabla se muestran las propiedades mecnicas ms importantes de diferentes aleaciones de titanio en funcin de su microestructura.

Aplicaciones especiales de las aleaciones de titanio.En este apartado se pretenden resumir aquellas propiedades especiales del titanio y sus aleaciones que las hacen apropiadas para aplicaciones en las que otros materiales difcilmente pueden competir. Se trata de aplicaciones como instrumentos biomdicos, componentes de automocin, equipamiento deportivo, as como otras aplicaciones relacionadas con la esttica, como joyera o arquitectura. Muchas de ellas quedan justificadas por la inusual combinacin de propiedades que permite el material.

Superconductividad.Se denomina superconductividad a la capacidad intrnseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente elctrica sin resistencia y prdida de energa nulas en determinadas condiciones. La resistividad elctrica de un conductor metlico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor lmite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfra por debajo de su temperatura crtica.La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos ms comunes como el estao y el aluminio, diversas aleaciones metlicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. En cambio, no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayora de los metales ferromagnticos. Las aleaciones Nb-Ti son unas de las ms utilizadas como superconductores, junto con las aleaciones Nb-Zr y el compuesto intermetlico Nb3Sn.

Las aplicaciones de la superconductividad pueden ser cuantiosas, desde imanes superconductores capaces de generar altos campos con poco consumo de potencia para equipos cientficos y de investigacin o para producir imgenes por resonancia magntica (MRI) en el campo mdico. Adems de otras aplicaciones potenciales como podra ser la transmisin de potencia elctrica a travs de materiales superconductores (con prdidas insignificantes); imanes para aceleradores de partculas de alta energa; conectores de alta velocidad y transmisin de seales para ordenadores; trenes de alta velocidad levitados, siendo la levitacin el resultado de la repulsin de campos magnticos.

Efecto de memoria de forma.Las aleaciones con memoria de forma se caracterizan por ser capaces de recuperar su forma inicial despus de haber sido deformadas plsticamente. Esta recuperacin despus de la deformacin sufrida a baja temperatura, ocurre si se incrementa la temperatura. Las aleaciones TiNi son conocidas desde hace varias dcadas por presentar esta propiedad. El rango de temperaturas sobre el que tiene lugar esta recuperacin de la deformacin es muy sensible a la composicin de la aleacin pero suele situarse entre los -150C y los +150C. Bajo las condiciones apropiadas de composicin y temperatura, estos materiales son adems capaces de soportar grandes deformaciones elsticas, propiedad que se conoce como superelasticidad.En el caso de las aleaciones TiNi, las propiedades de memoria de forma son el resultado de la transformacin martenstica reversible junto con el demaclado de la martensita durante la deformacin y los importantes cambios asociados. Estas aleaciones son de especial inters en aplicaciones como sensores, transductores, implantes mdicos, etc. En particular las aleaciones TiNi son muy utilizadas en catteres y componentes de ortodoncia en general.

El uso de aleaciones con memoria de forma est creciendo a medida que van siendo ms conocidas. A pesar de esto, el coste de este tipo de aleaciones se ve siempre incrementado por el especial cuidado que requieren en cuanto a un ajustado control de la composicin, por lo que las aleaciones con memoria de forma se utilizan en cantidades limitadas.

Aplicaciones biomdicas.El uso del titanio en el campo biomdico est muy extendido ya que es un material que cumple con todos los requerimientos. Mejora en la mayora de parcelas a sus competidores (acero inoxidable, aleaciones Cr-Co, etc.). Las propiedades que lo hacen tan interesante son su resistencia a la corrosin, biocompatibilidad, bioadhesin (posibilita el crecimiento seo), mdulo de elasticidad (que debe ser lo ms prximo posible al del hueso que se sita entre 10 y 30 GPa), resistencia a fatiga y facilidad de procesado, incluyendo la fundicin y las uniones soldadas. Entre ellas destacan especialmente la excelente resistencia a la corrosin y la biocompatibilidad a la hora de elegir el titanio como material para aplicaciones biomdicas. Incluso el precio del titanio, que suele ser uno de los grandes inconvenientes, es slo ligeramente mayor comparado con las aleaciones Cr - Co o los aceros inoxidables tpicamente utilizados en este campo.Existen muchos elementos mdicos fabricados con de titanio o con aleaciones base titanio, como placas y tornillos, implantes de cadera, stents, vlvulas cardacas y muchos otros utilizados en el rea dental.

Sector de la automocin.El titanio es adecuado en muchos de los componentes de automocin, pero, a causa de su elevado precio, no ha sido implementado en la produccin masiva de automviles. El titanio c.p. es muy adecuado para los tubos de escape por su facilidad de conformado y soldabilidad, la aleacin T-6AI-4V se usa en bielas por su alta resistencia a fatiga y ptima temperatura de trabajo, las aleaciones de titanio (3 son la mejor opcin en muelles de suspensin por su alta resistencia y bajo mdulo de elasticidad, los intermetlicos de titanio pueden ser usados en vlvulas o rotores de turbocompresores porque combinan alta temperatura en servicio con baja densidad, incluso los materiales compuestos de matriz metlica de titanio pueden encontrar su aplicacin en este campo.

La primera aleacin convencional de titanio fue introducida en la fabricacin de coches a gran escala por Volkswagen en 2001 en su modelo Lupo FSI, que cont con muelles en la suspensin trasera fabricados a partir la aleacin P de bajo coste Ti-LCB (Ti-4.5Fe-6.8Mo-l.5AI). Los muelles de titanio reemplazaron al acero. El bajo mdulo de elasticidad del titanio, junto con su alto lmite elstico consiguen muelles con un menor nmero de vueltas necesarias que con el acero. Adems se consigue una reduccin del 40% en peso del muelle si se utiliza titanio en lugar de acero. En la figura 3.7 se observan ambos muelles fabricados en diferente material.

Aplicaciones del titanio no metlico Tetracloruro de titanio Es usado para fabricar titanio metlico y otros compuestos que contienen titanio. Tambin se usa para irisar el vidrio y, debido a que en contacto con el aire forma mucho humo, se emplea para formar artificialmente pantallas de humo. Se emplea para obtener piedras preciosas artificiales. Dixido de titanio Los pigmentos de dixido de titanio se utilizan principalmente en la produccin de pinturas y plsticos, as como en papel, tintas de impresin, cosmticos, productos textiles, farmacuticos, alimentarios, en todo lo relacionado con la pigmentacin del color blanco. El dixido de titanio es el pigmento ms habitualmente utilizado en el mundo, que proporciona a los productos finales una brillante blancura, opacidad y proteccin.