Titanio

1. Titanio Elaborado por: David Garcia Villar Álvaro Soriano Ramos

2. ¿Que es el titanio? Mas ligero que el acero, pero a su vez también es mas costoso Es un metal en transición Su símbolo en la tabla periódica es Ti y su número atómico es 22. Tiene una alta resistencia tanto mecánica como a la corrosión Es un metal muy abundante en la naturaleza. No se encuentra en estado puro,si no en forma de Óxido de Titanio (IV), (Rutilo, Antanasa y Brookita) en forma de FeTiO3(Ilmenita), de leucoxeno y perovskita(CaTiO3), de titanita (CaTiO5), en la escoria del hierro o en las cenizas de animales y plantas.

3. Historia del titanio. El titanio fue descubierto en 1791 por William Gregor, al analizar un material que había encontrado. En 1795, el químico Martín Kalprotz, descubridor del uranio, le dio el nombre de titanio. El primero en obtener titanio fue Matthew A. Hunter calentando tetracloruro de titanio con sodio a unos 700-800 ºC.

4. El titanio como metal no se empleó hasta 1946 en que William Justin Kroll desarrolló un método para poder producirlo industrialmente, reduciendo el TiCl4 con magnesio. Este método, llamado Método de Kroll. Su utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial. Historia del titanio.

5. Caracteristicas fisica. Es un metal de transición. Su densidad es de 4507 kg/m3. Tiene un punto de fusión de 1675 °C (1941 K). Su punto de ebullición 3260ºC (3533 K). Su masa atómica es de 47,867 u. Es paramagnético,. Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas. Es resistente a la corrosión. Refractario. Poca conductividad térmica y eléctrica: No es buen conductor del calor ni de la electricidad.

6. Características mecánicas Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable. Permite fresado químico. Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas. Dúctil, permite la fabricación de alambre delgado. Duro. Escala de Mohs 6. Muy resistente a la tracción. Gran tenacidad. Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo. Material soldable. Permite tratamientos tanto termo-químicos como superficiales. Mantiene una alta memoria de su forma.

7. Escala de Mohs Es una relación de diez materiales ordenados en función de su dureza, de menor a mayor. Se utiliza como referencia de la dureza de una sustancia. Fue propuesta por el geólogo Friedrich Mohs y se basa en el principio que una sustancia dura puede rayar a una sustancia más blanda, pero no es posible lo contrario

8. Características Químicas Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas. La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivación que sufre. Es resistente a temperatura ambiente, al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido, así como a otros ácidos orgánicos, también es resistente a las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos. A temperaturas elevadas puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno , el boro y otros no metales. Sus iones no tienen existencia a pH básicos.

9. Su extracción: No se encuentra en estado puro,si no en forma de Óxido de Titanio (IV) (rutilo, anatasa y broquita), en forma de FeTiO3 (Ilmenita),  de leucoxeno y perovskita (CaTiO3) , de titanita o esfena (CaTiSiO5), Se extraen en minas, a poca profundidad.

10. Su extracción: También se puede extraer de la arena de algunas playas y desiertos, aparte de la escoria de la producción de hierro o en las cenizas de animales y plantas. Los principales países productores son Mozambique(donde se encuentra la mina mas grande) Rusia,E.E.U.U, Noruega,Brasil.

11. Rutilo Es un óxido de titanio (IV) (TiO2), que puede ser desde incoloro hasta pardo según la concentración de hierro (III). Se le halla en los yacimientos de zafiro. Los países productores de este mineral son Rusia, India y algunos países de Sudamérica. Es la base del titanio metálico y el pigmento del óxido de titanio (IV) amorfo, el pigmento blanco más importante del mundo. Además se utiliza para crear los láser titanio-zafiro. También se puede obtener el yoduro de titanio (IV), uno de los mejores catalizadores de polímeros igualmente se emplea en soldadura para la elaboración de electrodos.

12. Anatasa La anatasa  es una forma mineral del TiO2. Puede tener colores muy variados, desde el marrón amarillento hasta el añil y negro. Puede contener hierro, estaño,  vanadio y niobio. Es infusible y cuando se calienta por encima de 915 °C se transforma en rutilo.  Las anatasas sintéticas tienen interés para la fotocatálisis.

13. Ilmenita Ilmenita (FeTiO3) es un mineral débilmente magnético, de color negro o gris, que se encuentra en las rocas metamórficas y en las rocas básicas eruptivas . El nombre deriva de las montañas "Ilmen" en Rusia, uno de sus principales yacimientos. La mayoría de la ilmenita, sin embargo, está recubierta de capas, como por ejemplo, de arena de playa. Contiene el 47,34% de FeO y el 52,66% de TiO2, con proporciones variables.

14. Ilmenita La mayoría de la ilmenita se emplea en aleaciones especiales para la industria aeroespacial y para pigmentos. El producto aquí es el dióxido de titanio, que es una sustancia extremadamente blanca usada como una base para diferentes tipos de pinturas.

15. Titanita (esfena) La titanita o esfena es un mineral del grupo de los Silicatos. Químicamente es un silicato de titanio y calcio. La titanita es una fuente industrial de óxido de titanio, usado para fabricar pigmentos. También es admirado como gema cuando se encuentra convenientemente libre de defectos. Convenientemente tallada, la esfena tiene un poder para reflejar destellos superior al del diamante, pero lamentablemente su escasa dureza hace que sea inapropiada en joyería para montar en anillos y sólo se puede usar en colgantes o como piedra para coleccionismo de elevado precio.

16. Brookita La brookita es un mineral de TiO2 que cristaliza en sistema ortorrómbico. La belleza de algunos de los cristales de este mineral ha hecho de él un objeto muy valorado por los coleccionistas. La brookita sintética se utiliza en la protección de superficies metálicas, por su actividad catalítica y fotocatalítica. También se utiliza en la producción de nanopartículas. Tiene una dureza de 5,5-6 en la escala de Mohs

17. Para obtener titanio puro, a partir de los minerales que lo contienen se utiliza mayoritariamente el llamado Método de Kroll, que consiste en la reducción de tetracloruro de titanio con magnesio, en una atmósfera de argón que impide su oxidación. El proceso es el siguiente: Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 800 °C, en presencia de carbono. Se reduce el TiCl4 con magnesio o sodio molido en atmósfera inerte según: Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso también se puede utilizar magnesio. En la actualidad existen formas de refinado del titanio, como alternativa al método Kroll, tradicionalmente utilizado desde 1937. Método de Kroll

19. Procesos tecnológicos del titanio

20. 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 dos métodos principales de la fundición de piezas: - Fundición por moldeo de grafito apisonado -Fundición a la ceraperdida. Forja: se pueden usar técnicas y herramientas convencionales como las del acero. Se pueden forjar piezas de cualquier aleacion.

21. Soldadura:El titanio a de ser soldado en una atmósfera de gases inertes para evitar que sufra una decoloración que puede suponer la perdida de ductilidad y de resistencia mecánica El proceso es similar al de acero. Los tipos de soldadura que se emplean son: -fricción -soldadura con rayo de electrones. -soldadura por rayo láser -soldadura por plasma. -soldadura por arco. -procesos por fusión

22. Extrusión:Extrusión es en general, la acción de dar forma o moldear una masa haciéndola salir por una abertura especialmente dispuesta. Es particularmente recomendable para la producción de pieza largas y de sección compleja. Embutición: solo se puede realizar con titanio de grado 5,materiales policristalinos da grano fino a altas temperaturas. Esta técnica consiste en moldear metales en caliente en un sola operación con la acción conjunta de una prensa y el molde o troquel .

23. Mecanizado: El mecanizado de piezas de titanio en máquinas herramientas normales se realiza en condiciones parecidas a las que se utiliza para mecanizar acero 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 es mal conductor del calor por lo que dificulta el proceso. Fresado químico: el titanio permite este proceso con lo que se consigue una gran precisión. Esta técnica consiste en el ataque del material con ácido de superficie, selectivo y controlado.

24. Rectificado 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. Pulvimetalurgia (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 pequeño

26. Aleaciones Comercial y técnicamente existen muchas aleaciones de titanio. Las aleaciones más conocidas son las siguientes: -Ti grado 2: su composición química es TiFe, es conocido como titanio comercial puro. Tiene una resistencia a la tracción de 345 MPa, un límite elástico de 275 MPa, una ductilidad del 20% una dureza de 82 HRB, se puede soldar y una resistencia eléctrica de 0,56 (μΩm). -Ti grado 5: su composición química es Ti6Al4V.Tiene un porcentaje del 6% de aluminio y un 4% de vanadio. Es la aleación de titanio más utilizada en la aeronáutica y la medicina. Tiene una resistencia a la tracción de 896 MPa, un límite elástico de 827 MPa, una ductilidad del 10% una dureza de 33 HRB una soldabilidad muy buena y una resistividad eléctrica de 1,67 (μΩm).

27. Aleaciones -Ti grado 19: su composición química Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo (Beta-C) Tiene una resistencia a la tracción de 793 MPa, un límite elástico de 759 MPa una ductilidad de 15% una dureza de 45 HRB una soldabilidad regular y una resistividad de 1,55 (μΩm). -Ti grado 6246: su composición química: Ti6Al2Sn4Zr6Mo, Tiene una resistencia a la tracción de 1172 Mpa, un límite elástico de 1103 Mpa una ductilidad del 10% una dureza de 39 HRB una soldabilidad limitada y una resistividad eléctrica de 2 (μΩm) .

28. Aplicaciones del titanio.

29. Aplicaciones biomédicas: Titanio quirúrgico. -El titanio es un metal biocompatible, porque los tejidos del organismo toleran su presencia sin que se hayan observado reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Esta propiedad de biocompatibilidad del titanio unido a sus cualidades mecánicas de dureza,ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de gran utilidad para aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas antitrauma e implantes dentales, componentes para la fabricación de válvulas cardíacas y marcapasos, gafas, herramental quirúrgico tales como bisturís, tijeras, piercing...

31. Industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas y nucleares, debido principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los intercambiadores sean muy resistentes a las vibraciones y que los espesores de los tubos puedan ser menores, facilitando el intercambio de calor) y químicas (el titanio, a semejanza del cobre, genera una capa inoxidable sobre su superficie). Algunas aleaciones se utilizan para fabricar componentes de las industrias de proceso tales como bombas, depósitos, reactores químicos y columnas de fraccionamiento en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante. También se emplea en las unidades de desulfuración de gases que permiten reducir las emisiones de ácido nítrico, los ácidos crómicos, los cloruros metálicos, los sulfuros...

33. Industria automovilistica: Se usan piezas de titanio con el fin de aligerar el peso de los vehiculos y el algunos casos mejorar el modulo de Young( muelles). Industria militar: se usa en la carrocería de vehículos ligeros,y para blindar los carros de combate, tan bien en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles.

34. Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas relativamente altas, las aleaciones de titanio se emplean en aviones y cohetes espaciales. El titanio y sus aleaciones se aplican en la construcción aeronáutica básicamente para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes, y palas de turbinas.

35. Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que sea utilizado en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el contacto con el agua salada no le afecta.

36. Industria relojera: Los relojes de pulsera de titanio son de peso ligero, 30 por ciento más fuertes que los de acero y resisten la corrosión. Generalmente tienen una capa protectora para hacerlos resistentes a los rayones. Industria joyera: Se usa como articulo de bisutería, como anillos, colgantes... Industria deportiva: productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar

37. Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios.

38. Los pigmentos de dióxido de titanio se utilizan principalmente en la producción de pinturas y plásticos, en papel, tintas de impresión, cosméticos, productos textiles, farmaceúticos y alimentarios .Es el pigmento más habitualmente utilizado en el mundo, que proporciona a los productos finales una brillante blancura, opacidad y protección. En artes gráficas donde se precisan pequeños espesores de recubrimientos se utilizan pigmentos de dióxido de titanio muy finos. También se ha empleado como agente blanqueador y opacador en esmaltes de porcelana, dando un acabado final de gran brillo, dureza y resistencia al ácido un pigmento blanco permanente que se emplea en pinturas, papel y plásticos, asimismo tiene una amplia gama de aplicaciones en la industria química en general. Aplicaciones del dióxido de titanio

39. Toxicidad del titanio Tanto el titanio como en el dióxido de titanio tienen un nivel bajo de toxicidad. La sobre-exposición al polvo de titanio puede ocasionar por inhalación del polvo dolor en el pecho, tos o dificultad para respirar. En contacto con la piel o los ojos puede generar irritación. la agencia internacional para la investigación del cáncer (IARC) dice que el titanio no es clasificable como elemento cancerígeno.

40. FIN