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Tratamientos térmicos del titanio
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TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL
TITANIO
Grupo 4 4.4 Tratamientos térmicos del Titanio.
281
ÍNDICE
Capitulo
Tratamientos Térmicos del Titanio................................................................... 280
Página
Índice ....................................................................................................... 281
Generalidades ............................................................................................... 282
Descripción .................................................................................................. 285
Objetivos ...................................................................................................... 289
Procedimiento del Ensayo ........................................................................... 289
Resultados .................................................................................................... 290
Análisis de Resultados ................................................................................. 291
Anexo ....................................................................................................... 294
Grupo 4 4.4 Tratamientos térmicos del Titanio.
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4.4.1. GENERALIDADES DE LAS ALEACIONES DE
TITANIO
4.4.1.1.-ELEMENTOS DE ALEACIÓN
Se dividen en dos grandes bloques: estabilizadores α y estabilizadores β.
El titanio es un elemento que permite la combinación con casi todos los metales
debido a que tiene un tamaño de grano muy favorable. Por ello forma soluciones sólidas
por sustitución (elementos de aleación metálicos) o por insercción (elementos de
aleación no metálicos). También puede formar compuestos con enlaces iónicos o
enlaces covalentes.
Cuando se tiene la concentración electrónica mayor a 4, se tiende a estabilizar en
la fase β, cuando es menor a 4, se tiende a estabilizar en la fase α, y cuando es igual a 4
no cambia.
Se dividen en dos: estabilizadores α puros y reforzadores α.
Estabilizadores α:
Estabilizadores α puros: aumentan el campo de estabilidad de la fase α y para eso lo
que hacen es aumentar la temperatura de transformación α/ β. Principalmente son: Al,
O2, N2, C y Ga. El O2 más que como elemento de aleación aparece como impureza en
los titanios comercialmente puros, tienen un efecto muy importante aumentando las
propiedades mecánicas con pocas concentraciones de O2.
0,2 %O2 → 350 MPa
0,4 %O2 → 600 Mpa
Realmente el Al es el elemento de aleación para estabilizar la fase α , es decir, es
el más eficaz. Disminuye la densidad y aumenta la resistencia a la oxidación mejorando
de esta forma la resistencia en caliente. Pero la cantidad de Al que puede haber es
limitada por la formación del compuesto α 2 (hexagonal, Ti3Al) que provoca fragilidad.
Por tanto, la máxima concentración de Al es de un 5%.
Reforzadores α: son elementos muy solubles en la fase α pero que no modifican la
temeperatura de transición α/ β, es decir, no modifican los puntos críticos. Son neutros y
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por tanto no aumentan el campo de estabilidad. Los principales son Sn y
Zr y también el Si.
Se dividen en β isomorfos y β eutectoides.
Estabilizadores β:
β isomorfos: aumentan la estabilidad de la fase β y para ello disminuye la temperatura
de transición α/β. Este efecto es de forma continuada a medida que se incorporan
elementos de aleación y a su vez disminuye Ms y Mf. Los más utilizados son V, Mo y
también W y Ta.
β eutectoides: son elementos que cuando se incorporan con la aleación de titanio,
disminuye la T α/ β no de forma continuada, sino que disminuye hasta alcanzar un
eutectoide. También afecta a Ms y a Mf. Los principales son Mn, Cr, Fe, y también, Cu,
Ni, Co, H2.
Hay ocasiones en que la formación del eutectoide es excesivamente lenta, pero
realmente, en la práctica se considera que no se llega a formar el eutectoide y como
consecuencia se considera como efecto de β isomorfo.
En función del elemento que se incorpore y según la cantidad, puede llegar a
aparecer β estable a temperatura ambiente.
Los dos elementos más influyentes en la fase β son V y Mo, siendo los que más
disminuyen la T α/ β.
El W presenta dos problemas:
1. Incrementa la densidad de la aleación.
2. Problemas de segregación en el proceso de fabricación produciendo
pérdida de la resistencia a la corrosión.
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Diagramas de titanio con diversos tipos de elementos de aleación (a) estabilizadores α (b) estabilizadores β
isomorfos (c) estabilizadores β eutectoides
4.4.1.2.-PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ALEACIONES DE TITANIO
Lo que caracteriza realmente al titanio es su elevada resistencia específica en un
amplio margen de temperaturas. Tiene resistencia equivalente a la de un acero de alta
resistencia o incluso es superior. Se pueden tener titanios de unos 1500 Mpa.
4.4.1.3.- PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS ALEACIONES DE TITANIO
El titanio tiene una excelente resistencia a la corrosión. Es comparable a un
acero austenítico. Además tiene una alta resistencia a la corrosión en ambientes
industriales y marinos, en medios oxidantes, medios clorados, etc.
Presenta alta reactividad con el oxígeno, pero se pasiva. El óxido que se forma
es muy adherente, muy resistente y muy impermeable.
Puede ser atacado en medios reductores y en medios ácidos no oxidantes
(sulfúrico y fosfórico). En este caso hay tratamientos de protección contra la corrosión,
como pueden ser, anodizados, plaqueados, etc.
En general, tiene buena resistencia a la corrosión bajo tensiones. Depende en
cierta medida en el medio en el que se encuentre y a modo general, depende del material
(de la composición química). Los titanios α son las de mayor susceptibilidad a la
corrosión bajo tensiones. Sin embargo, los titanios α/β son las de mayor resistencia a
SCC y la fase β dentro de estas son casi inmunes a dicha corrosión.
Presentan una excelente resistencia a fatiga.
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Cuando se requiere una resistencia a la corrosión muy alta, se
puede alear la aleación de titanio incorporando paladio en una proporción de 0,2 %
aproximadamente.
4.4.2. DESCRIPCIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN EL
TITANIO
Diagrama esquemático para tratamientos térmicos de aleaciones de titanio y resistencias que pueden obtenerse
4.4.2.1.- RECOCIDOS
4.4.2.1.1.- Recocido en el campo β
Calentamiento por encima de la tempertura de transición (por encima del cambio
α/β) a un tiempo de permanencia.
Si el enfriamiento es lento se obtiene estructura Widmanstätten α. Esta estructura
es una estructura de colonias de placas de α en una matriz de β, dando aelaciones en
bajo contenido en elementos de aleación y/o estabilizadores α. Si los enfriamientos son
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más rápidos, sin llegar al enfriamiento de temple, y mayor contenido de
estabilizadores β, entonces, se tiene una estructura Widmanstätten de cesto de paja.
4.4.2.1.2.- Recocidos en el campo α+β
Se realiza una temperatura de unos 700ºC, proporcionando un alivio de
tensiones.
Se obtiene una estructura equiaxial, es decir, α primaria y β transformada.
Existen otros tipos de recocido: duplex y triplex. Son recocidos que se dan para
aumentar y enriquecer de elementos β a la aleación. Se consiguen mejoras en resistencia
en caliente (mayor resistencia a fluencia) y se mejora la resistencia de tenacidad a
fractura.
4.4.2.2.- TEMPLE MARTENSÍTICO
Lo que se pretende es aumentar la resistencia a partir de un efriamiento rápido
dando lugar a la martensita. En la maduración es donde realmente se produce el
aumento brusco de propiedades mecánicas.
4.4.2.2.1.- Temple martensítico en el campo β
La temperatura es mayos a la Tα/β. Las transformaciones se obtienen en el
enfriamiento.
La estructura obtenida depende de la cantidad de estabilizadores β, por lo que
depende de la composición química y como consecuencia, del diagrama de equilibrio.
Para bajas cantidades de aleación, la estrucutura que se obtiene es martensita α’,
se transforma totalmente. A medida que se aumenta la catidad de elementos aleantes, β
se puede transformar parcialmente o no transformarse quedando el resto como β
retenida (β metaestable). Si la cantidad de elementos es muy grande, β ya no se
transforma y queda β retenida.
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Esta β retenida es la que realmente va a proporcionar un mayor
endurecimiento por precipitación en el proceso de maduración artificial (aumento de
propiedades mecánicas).
La martensita presenta distintas morfologías de martensita:
1. α’: placas de martensita de red hexagonal.
2. α’ de tipo lenticular con maclas.
3. Otras martensitas, martensitas ortorrómbicas centradas en las
caras (α’, α’’). Aparecen con alto contenido en estabilizadores β.
4.4.2.2.2.- Temple martensítico en campo α+β
La temperatura es inferior a Tα/β. Si se calienta por encima de β, la estructura de
partida es α+β.
α primaria (la que no se ha transformado en β) más α’, α’+ β retenida y β
retenida. Esto es, como solo se transforma β y si se parte de α+β, queda sólo α primaria.
Esta α primaria tienen distintas morfologías dependiendo del grado de trabajo en el
proceso de forja. Cuando se trabaja ligeramente, α aparece como placas alargadas,
mientras que cuando ha sido trabajada severamente a altas temperaturas, suelen ocurrir
procesos de recristalización dadndo lugar a una estructura de granos equiaxiales.
4.4.2.3.- MADURACIÓN ARTIFICIAL
Aleaciones β isomorfo, β retenida se descompone apareciendo una estructura de
precipitación. El precipitado es en forma de finas partículas de α sobre una matriz de β.
Al ser α la fase de mayor resistencia, α en partículas precipitadas, hace que sea una
estructura ideal en cuanto a propiedades mecánicas.
Cuando hay baja cantidad de elementos estabilizadores y las temperaturas de
maduración son inferiores a 450-500ºC, aparece la fase ω. Esto resulta peligroso, pues,
dicha fase engragiliza muchísimo la aleación.
En el caso de que la martensita α’ se descomponga, se forma una estructura de
finas partículas de β que precipitan sobre α. Al ser β una fase de menor resistencia y
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menor dureza que la fase α, se produce un endurecimiento aunque algo
menor que cuando ocurre la descomposición de β retenida.
En las aleaciones β eutectoide, en el temple y en la maduración, la martensita se
descompone directamente en fase α y un compuesto intermetálico.
Para el caso de las aleaciones α, a penas se les realiza tratamientos térmicos.
4.4.2.4.- EFECTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
El estudio se realiza a partir de las aleaciones Ti α+β que son las β isomorfo. Se
suelen utilizar muy a menudo en estado de recocido (T=705ºC durante un tiempo
aproximado de 2 horas) tras el proceso de fabricación. Normalmente, se realiza el
proceso de forja y después el tratamiento de recocido.
Las propiedades que se obtengan van a depender del diagrama de equilibrio, de
la composición química y del proceso de forja de fabricación y por tanto, las
propiedades mecánicas van a depender de la temperatura de transición de β ó α+β.
En general, no es importante si la forja se ha hecho por encima o por debajo de
la Tα/β. Se obtienen valores similares de resistencia a tracción, alrededor de los 950-
1000 Mpa.
Si la temperatura es inferior a Tα/β (campo α+β), se tiene una estructura
equiaxial α+β (β Widmanstätten). Esto es, se obtiene mayor ductilidad, mayor
resistencia a la iniciación de grietas por fatiga y una mayor resistencia a fatiga a bajos
ciclos (mayores cargas).
Si por el contrario, la temperatura es superior a Tα/β (campo β), se tiene una
estructura Widmanstätten. Esto es, mayor resistencia a fatiga, mayor tenacidad a
fractura y por tanto, menor velocidad de propagación de las grietas (la propia estructura
Widmanstätten actúa de obstáculo al avance de la grieta).
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4.4.3. OBJETIVOS.
El objetivo de esta práctica consiste en realizar un temple martensítico en una pieza de
titanio. El tipo de titanio a templar contiene un 6% de Aluminio y un 4% de Vanadio y
por ello el temple debe llevarse a cabo en el campo α + β.
Con ello se pretende conseguir un aumento de la resistencia provocado por la aparición
de la estructura martensítica.
4.4.4. PROCEDIMIENTO.
Para llevar a cabo este proceso, lo primero fue consultar la norma correspondiente; en
este caso, la norma UNE 38-723-81 adjunta en el anexo. Después se introdujo la pieza
de titanio en el horno a una temperatura comprendida entre 840 y 950 ºC.
La pieza de titanio permaneció en el horno durante una hora y media aproximadamente.
Posteriormente, se extrajo del horno y se enfrió en agua.
Una vez enfriado el material, se pudieron observar dos tipos de óxidos superpuestos;
que son el TiO2 (Rutilo, de color blanco) y el Ti2O3
(De color azulado).
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Posteriormente, se midieron las durezas en Rockwell y Vickers. La
primera, en la escala C, viene dada por el durómetro directamente, sólo hay que
especificar la carga, y el indentador, que en este caso son las mismas que en aceros, es
decir, 150 kg y un indentador de tipo cono de120 º. En cuanto a la medida Vickers, se
realiza una huella en la pieza con un indentador de punta de diamante y una carga de
150 kg para posteriormente medir los dos diámetros de ha huella y con una fórmula
obtener el resultado. Previamente se lijó y limpió bien la muestra de titanio.
4.4.5. RESULTADOS.
•
Temple martensítico
Rockwell C Ensayo 1 44 Ensayo 2 44 Ensayo 3 43
Para hallar la dureza Vickers se ha utilizado la siguiente fórmula:
donde:
P = Carga utilizada en Kg d = diagonal
Vickers Diagonal 1 Diagonal 2 HV HV1 Dureza 2
0,84 0,78 394 457 426
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4.4.6. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
El temple martensítico del titanio busca un aumento de resistencia por la aparición de la
estructura martensítica del Titanio. Esta martensita no supone tanto endurecimiento
como la martensita de los aceros, pero sí un incremento ligero, ya que el aumento
brusco de propiedades mecánicas se produce posteriormente al temple, es decir, en la
maduración.
Este tratamiento sólo pueden recibirlo aquellas aleaciones que cuenten en su
composición con estabilizadores β. En este caso, tenemos un 4% de Vanadio, que es un
estabilizador beta.
El temple martensítico de esta aleación se ha realizado en el campo α + β, dado que
también contiene un 6% de Aluminio; estabilizador alfa. Tras el calentamiento; inferior
a la temperatura transus, se ha enfriado en agua y la estructura resultante ha sido:
α primaria.
α´ + β retenida
Como se puede apreciar en el siguiente gráfico:
La α primaria proviene de lo que antes era α y que se ha arrastrado en el proceso de
enfriamiento; además su estructura depende del tratamiento termomecánico que haya
sufrido el material anteriormente. Dado que el material, no ha sufrido grandes trabajos y
esfuerzos, la estructura de alfa primaria final será de placas alargadas, ya que no se
habrá producido recristalización.
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Puesto que no se hizo un ensayo de recepción del material, sabemos que
la dureza ha aumentado ligeramente pero no tenemos un valor inicial con el que
comparar.
Recocido de una aleación Ti6Al4V a 700 ºC
La mayoría de estas aleaciones de titanio que no se requieren para aplicaciones
especiales, se entregan y utilizan con estado de recocido, en cuyo caso, tomando los
datos de otro grupo (ver anexo), la dureza Rockwell de partida sería de 37 HRC; si este
hubiera sido el punto de partida de nuestra muestra, podríamos comprobar que ha
aumentado hasta 44 HRC, un aumento bastante considerable; aunque el aumento brusco
de propiedades se da en la maduración (ver anexo).
Microestructura martensítica con maduración
La dureza Vickers obtenido ha sido un poco menor de lo esperada, esto puede deberse a
una indeficiente preparación de la muestra a la hora de lijarla y limpiarla para llevar a
cabo la medida de durezas.
Dada la alta reactividad del titanio con el oxígeno, se ha oxidado la muestra y han
aparecido dos tipos de óxidos cuyas capas son muy adherentes e impermeables,
proporcionándole a la aleación la capacidad de pasivado y una buena resistencia a la
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corrosión en ambientes industriales, marinos, clorados…. Mejorando
también su resistencia a la corrosión bajo tensiones. Puede que estas capas no nos hayan
permitido realizar una buena huella del material y por ello la medida Vickers no haya
sido tan correcta como nos gustaría.
A continuación puede verse un ejemplo de un temple martensítico de una aleación
Ti6Al4V, perteneciente a un grupo de cursos anteriores al nuestro.
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ANEXO
Grupo 4 4.4 Tratamientos térmicos del Titanio.
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Resultados del grupo nº 1 :
•
Realizado a 750 ºC durante 120 minutos.
Recocido Ti6Al4V.
Rockwell C Ensayo 1 38 Ensayo 2 37 Ensayo 3 36
Vickers (100 kg) Diagonal 1 Diagonal 2 Diagonal media Dureza
0,7 0,6 0,65 439
Resultados del grupo nº 5:
• Maduración artificial
Antes de la maduración y tras el temple del grupo nº 3.
.
Rockwell C
Medida 1 43
Medida 2 44
Medida 3 45
Después de la maduración, durante 6 horas a 502 ºC.
Rockwell C
Medida 1 43
Medida 2 43
Medida 3 43
Grupo 4 4.4 Tratamientos térmicos del Titanio.
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Vickers
Diámetro 1 Diámetro 2 HV HV1 HV estimada 2
0,52 mm 0,50 mm 429 464 446
En estos resultados podemos comprobar que nuestras medidas Rockwell del
temple son similares a las del grupo 5, por ello, podemos decir, por tanto,
que la realización del temple ha sido adecuada. Por otro lado, puede
apreciarse que los datos de la maduración no son muy adecuados pues
deberían haberse obtenido datos mayores.
En cuanto al recocido, su dureza es mayor que la nuestra, aunque depende
del tratamiento de partida de nuestro material en realidad. Podríamos reiterar
que el aumento de dureza en el temple es ligero.
