TITANIO

Datos Generales

Elemento: Titanio

Clasificación: Metales de Transición

Grupo, Periodo: 4,4

No. Atómico: 22

Símbolo: Ti

Peso Atómico: 47.9

El titanio es un elemento químico, de símbolo Ti y número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Se encuentran 5 isótopos estables en la naturaleza: 46 Ti,  47 Ti,  48 Ti,  49 Ti y  50 Ti, siendo el  48 Ti el más abundante (73,8%). Sus valencias son 2, 3 y 4, y su configuración electrónica [Ar] 3d 2 4s 2.

Su punto de ebullición es 3260 ºC y el de fusión 1668 ºC. Se presenta abundantemente en la naturaleza en forma de Óxido de Titanio (IV) (rutilo, anatasa y brooquita), en forma de FeTiO 3 (Ilmenita),  de leucoxeno y perovskita (CaTiO 3 ), de titanita (CaTiSiO 5 ), en la escoria del hierro o en las cenizas de animales y plantas.

En estado puro es blanco y brillante, es muy resistente, ligero y tiene una densidad considerablemente baja, siendo excelente en la resistencia frente a la corrosión. El titanio es tan fuerte como el acero y con frecuencia se lo compara con dicha aleación, es un 60 por ciento más pesado que el aluminio, sin embargo, es el doble de fuerte. Es un elemento dúctil únicamente cuando está libre en el oxígeno, fisiológicamente se lo considera inerte y además, es dimórfico.

El titanio es tan resistente que puede soportar el ácido sulfúrico diluido, el ácido clorhídrico, la mayoría de los ácidos orgánicos, las soluciones de gas y el cloruro de cloro, lo cual lo convierte en un material realmente único. Puede encontrarse titanio tanto en la Tierra (es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre) como en el espacio, estando presente en el Sol, los meteoritos y las estrellas de tipo M.

Historia

El titanio recibe el nombre de títanos, del griego antiguo tierra blanca (su óxido es de los blancos más puros), no de los titanes como popularmente se cree. Fue descubierto en 1790 por el químico inglés William Gregor, al analizar un material que había encontrado. En 1795, el químico alemán Martin Klaproth, descubridor del uranio, le dio el nombre de titanio.

Es el cuarto metal más común en la naturaleza. Las rocas ígneas, los materiales formados por descomposición de rocas ígneas, muchos minerales, principalmente los que tienen hierro y todos los organismos vegetales y animales, contienen titanio.

El titanio se extrae en primer lugar del rutilo (óxido de titanio), abundante en las arenas costeras. Para ello, el titanio debe someterse antes a un proceso de refinado, para prevenir su reacción con sustancias tales como el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno.

Matthew A. Hunter fue el primero que obtuvo titanio (con una pureza del 99.9%) calentando tetracloruro de titanio (TiCl4) con sodio a 700-800 °C.

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, se sigue utilizando actualmente. En este proceso el metal se debe mantener en una atmósfera de gas inerte, como argón o helio, para impedir la reacción con otros elementos.

Propiedades del Titanio

FISICAS:

Es un metal de transición ligero y tiene un punto de fusión de 1675 °C. Es de color plateado grisáceo. Es paramagnético y refractario. Reciclable. Es muy resistente a la corrosión y oxidación y poco conductor.

MECANICAS:

Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable y permite fresado químico.

Maleable y dúctil. Duro (Escala de Mohs 6) muy resistente a la tracción, gran tenacidad y puede

mantener una alta memoria de su forma. Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo, y es soldable. Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.

QUIMICAS:

Se encuentra en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales y en cenizas de animales y plantas.

Presenta dimorfismo, a temperatura ambiente tiene estructura hexagonal compacta (fase alfa). Por encima de 882 °C presenta estructura física centrada en el cuerpo (fase beta).

Resistente a la corrosión debido al fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que lo recubre).

A temperaturas elevadas puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el boro y otros no metales.

Extracción del Titanio

El titanio, puede ser extraído, de la corteza terrestre. El cual no se encuentra a grandes profundidades, por lo que, el trabajo de extracción en sí, es bastante simple. También se puede extraer de la arena pesada de algunas playas o desiertos y de algunas escorias.

En España, las perspectivas a medio plazo de extracción de minerales de titanio son prácticamente nulas, ya que la mayor parte de los recursos están dispersos en pequeños yacimientos.

Los principales países productores de titanio (rutilo e ilmenita sobre todo) son Australia, Brasil, Venezuela, Sierra Leona, Kenia, Sudáfrica, India, Malasia, Canadá, Estados Unidos, Rusia, Finlandia, Noruega y Ucrania.

Procesos Tecnológicos

Fundición. Forja. Soldadura. Extrusión: acción de dar forma o moldear una masa haciéndola salir por una

abertura especialmente dispuesta. Embutición: técnica de moldeo de metales en caliente que permite fabricar piezas

complejas en una sola operación con la acción conjunta de una prensa y el molde o troquel adecuado a la pieza que se quiere fabricar.

Mecanizado. Fresado químico: ataque de ácido de superficie, selectivo y controlado. Rectificado de precisión. 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.

Tratamientos del Titanio

Tratamiento termoquímico:

Nitruración: El tratamiento termoquímico de nitruración del titanio puro y de la aleación Ti 6 Al 4 V produce una capa lisa y homogénea, con incrementos de la dureza superficial de hasta un 500% respecto al material no tratado.

Tratamiento superficial:

Lubricación : Cuando se produce deslizamiento de superficies de titanio sobre titanio o cualquier otro metal, se manifiesta una gran tendencia a la excoriación, por lo que se requiere en esos casos lubricar las superficies de contacto con lubricantes de película seca a base de disulfuro de molibdeno, grafito o similares.

Oxidación térmica: Un método de mejorar las propiedades superficiales del titanio, concretamente la mejora de la resistencia a la corrosión, es cuando se somete el titanio a un tratamiento superficial de oxidación.

Anodización: es una técnica que se utiliza para aumentar el grosor de la capa de óxido y constituye una solución eficaz y poco costosa para piezas que no estén sometidas a un desgaste continuo.

Electroplaqueado. Ionización: se realiza en frío y consiste en acelerar en vacío iones de nitrógeno y

hacerlos impactar contra la superficie tratada.

Aleaciones

Comercial y técnicamente existen muchas aleaciones de titanio porque no hay una norma muy rígida sobre las mismas. Sin embargo las aleaciones más conocidas son las siguientes y se conocen por el grado que tienen.

Ti grado 2: tiene la siguiente composición química: TiFe (0,25-0,30) Es conocido como titanio comercial puro. Sus principales aplicaciones son donde se requiere resistencia a la corrosión y conformabilidad (Tuberías, intercambiadores de calor, etc).

Ti grado 5: tiene la siguiente composición química: Ti 6 Al 4 V. Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas (Tornillería y piezas forjadas).

Ti grado 19: tiene la siguiente composición química  Ti 3 Al 8 V 6 Cr 4 Zr 4 Mo (Beta-C). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia a la corrosión y a la temperatura (Aplicaciones marinas y motores de aviones).

Ti6246: tiene la siguiente composición química: Ti 6 Al 2 Sn 4 Zr 6 Mo. Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica obtenida por temple.

Titanio y su Toxicidad

Debido a la biocompatibilidad del titanio no se han descubierto casos de toxicidad tanto en el titanio elemental como en el dióxido de titanio.

Se han detectado algunos efectos de la sobreexposición al polvo de titanio por lo que la inhalación del polvo puede causar tirantez y dolor en el pecho, tos, y dificultad para respirar. El contacto con la piel y los ojos puede provocar irritación. Vías de entrada: Inhalación, contacto con la piel, contacto con los ojos.

Respecto a la cancerología que pueda tener, la agencia internacional para la investigación del cáncer (IARC) ha incluido el dióxido de titanio en el grupo 3 que consiste en que el titanio no es clasificable como elemento cancerígeno en los humanos.

Aplicaciones del Titanio

Aplicación biomédica: (Titanio quirúrgico) El titanio es un metal compatible con los tejidos del organismo humano que toleran su presencia sin reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Esta propiedad de compatibilidad 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, material quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc.

La aleación de titanio más empleada en este campo contiene aluminio y vanadio según la composición: [[Ti6Al4V]]. El aluminio incrementa la temperatura de la transformación entre las fases alfa y beta. El vanadio disminuye esa temperatura. La aleación puede ser bien soldada. Tiene alta tenacidad.

Las especificaciones ASTM empleadas en el titanio quirúrgico son las siguientes:

ASTM B265: placa y lámina: ASTM F1108 Ti6Al4V: pieza moldeada para implantes quirúrgicos.

ASTM B299: esponja: ASTM F1295 Ti6Al7: aleaciones de niobio para aplicaciones de implantes quirúrgicos.

ASTM B861/B862: tubo: ASTM F1341: alambre de titanio sin aleaciones para aplicaciones de implante quirúrgico.

ASTM B338: ASTM F136 Ti6Al4V: para aplicaciones de implante quirúrgico. ASTM B348: barra: ASTM F1472 Ti6Al4V: para aplicaciones de implante

quirúrgico. ASTM B363: conexiones: ASTM F620 Ti6Al4V: forjados para implantes

quirúrgicos. ASTM B367: piezas moldeadas: ASTM F67: titanio sin aleaciones para

aplicaciones de implante quirúrgico. ASTM B381: forjado: varias especificaciones especiales AMS y MIL-T.

Las razones para considerar el material ideal para implantes endoóseos son:

El titanio es inerte, la cubierta de óxido en contacto con los tejidos es insoluble, por lo cual no se liberan iones que pudieran reaccionar con las moléculas orgánicas.

El titanio en los tejidos vivos representa una superficie sobre la que el hueso crece y se adhiere al metal, formando un anclaje anquilótico, también llamado osteointegración.

Posee buenas propiedades mecánicas, su fuerza de tensión es muy semejante a la del acero inoxidable utilizado en las prótesis quirúrgicas que reciben carga. Es mucho más fuerte que la dentina o cualquier cortical ósea, permitiendo a los implantes soportar cargas pesadas.

Este metal es suave y maleable lo cual ayuda a absorber el choque de carga.

Industria energética: El titanio es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas (y también en las centrales nucleares), debido a sus características de resistencia mecánica y químicas (capa inoxidable). Determinadas aleaciones se utilizan para fabricar componentes de las industrias de proceso (bombas, depósitos, reactores químicos y columnas de fraccionamiento en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante). También en las unidades de desulfuración de gases.

Industria automovilística: fabricación de componentes de titanio, con el fin de aligerar el peso de los mismos (muelles y bielas de titanio).

Industria militar: material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y de misiles.

Industria aeronáutica y espacial: Debido a su fuerza, baja densidad y el que puede soportar temperaturas. Se emplean en aviones (para construir forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación, álabes, y palas de turbinas) y cohetes espaciales.

Construcción naval: por su resistencia a la corrosión permite utilizarlo en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas.

Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio.

Joyería y decoración: como metal seminoble es posible encontrar pulseras, pendientes. También se han empleado láminas para recubrir edificios  (Museo Guggenheim de Bilbao).

Instrumentos deportivos: distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.

Porcentajes de usos y consumos

Producción mundial