Titanio

 EL TITANIO

El titanio fue descubierto en 1791 por William Gregor.

Es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre y el cuarto elemento metálico más abundante. Es el número 22 en la tabla periódica con un peso de 47,867, se representa con el símbolo “Ti” y presenta una estructura cristalina.

Actualmente se suele encontrar en forma de ilmenita y rutilo en la arena de la playa. Este último se extrae sobre todo en Australia y Sudáfrica.

1. CLASIFICACIÓN

El titanio se puede clasificar según el grado siendo el 1, 2, 3 y 4 puros y el resto aleaciones:

• Grado 1: Titanio puro, resistencia mecánica relativamente baja y alta ductilidad.
• Grado 2: El Titanio puro más utilizado. La mejor combinación de resistencia, ductilidad y soldabilidad.
• Grado 3: Titanio de alta resistencia, usado para la fabricación de matrices e intercambiadores de calor.
• Grado 5: La aleación de Titanio más fabricada. Resistencia mecánica muy alta. Alta resistencia al calor.
• Grado 7: Resistencia a la corrosión superior en ambientes oxidantes y reducidos.
• Grado 9: Muy alta resistencia mecánica y a la corrosión.
• Grado 12: Mejor resistencia al calor que los Titanios puros. Aplicaciones como para el grado 7 y 11.
• Grado 23: Aleación de Titanio 6Al-4V ELI (intersticial extra baja) para aplicaciones de implante quirúrgico.

Al mismo tiempo las aleaciones se dividen según su microestructura en:

• Tipo alfa (α)
• Tipo beta (β)
• Tipo alfa-beta (α/β). A su vez se clasifica según se la estructura a temperatura ambiente es mayoritariamente α o β:
• Casi-α
• Casi-β

2. PROPIEDAD MÁS IMPORTANTE

Entre todas sus propiedades cabe destacar su resistencia a la corrosión en la mayoría de los ambientes. Esto permite que se emplee en muchísimos ámbitos tanto industriales como para otro tipo de elementos.

El titanio posee una película de óxido más protectora que la del acero inoxidable y suele funcionar bien en medios que provocan corrosión por picaduras y grietas (agua de mar, cloro húmedo y cloruros orgánicos). Esta película se forma al entrar en contacto con el aire o con la humedad (TiO₂). Pero se deben evitar las condiciones anhidras en ausencia de oxígeno porque la película protectora no puede regenerarse si se daña

En cambio, las aleaciones de titanio son corrosibles en ciertos ambientes. Las principales formas de corrosión incluyen la corrosión general, por grietas, las picaduras anódicas, el daño por hidrógeno y el agrietamiento por corrosión bajo tensión. A pesar de eso son altamente resistentes a los ácidos oxidantes en un amplio rango de concentraciones y temperaturas. Como los ácidos nítrico, crómico, perclórico e hipocloroso.

Una solución para la corrosión pueden ser las combinaciones diseñadas (racores Swagelok de 316/316L con tubo de aleaciones 254, 904L, 825, o aleación Tungum^®) con cromo y níquel ya que le dan:

• Mayor resistencia a la corrosión localizada
• Resistencia a la corrosión por picaduras
• Disminución del riesgo de corrosión galvánica.

3. APLICACIÓN MÁS IMPORTANTE

De sus múltiples aplicaciones una de las más importantes pertenece al campo de la biomedicina, los remplazos articulares o cualquier otro tipo de implante porque es el material que mejor resiste a los fluidos corporales sin deteriorarse y no es dañino ni tóxico para los tejidos del organismo. Además, por ahora no se conoce ningún caso de reacciones alérgicas de este metal.

Esto supone un gran avance en la medicina y en la tecnología permitiéndonos compatibilizar la tecnología con nuestro cuerpo.

Es cierto que hay algunas fuentes que aseguran que el dióxido de titanio tiene efectos negativos en nuestra salud lo que genera un gran debate. He optado por ignorar estos artículos puesto que aparentemente no es muy perjudicial según lo que he encontrado. 

4. PROCESO DE OBTENCIÓN

El proceso más usado para producir titanio es el Kroll. Consiste en mezclar el rutilo con el coque o el alquitrán y el cloro gaseoso. Posteriormente se le da calor creando tetracloruro de titanio (TiCl₄). Mediante un proceso químico se transforma el TiCl₄ en un producto de “esponja”. Se funde (la fundición del titanio se hace con el proceso de remoción de arcos al vacío (VAR) o con un proceso de horno frío) y se le da forma de lingote que finalmente se procesa para dar los distintos productos con el equipo estándar para trabajar metales. El inconveniente es que es bastante costoso por su alta reactividad y se necesitan muchas fundiciones y acondicionamientos que desperdician gran parte del titanio. De esta forma las dificultades de la extracción del titanio a partir de los óxidos y su posterior transformación causan que su coste final sea elevado.

5. PROPIEDADES

A las aleaciones del titanio se las conoce por poseer un peso ligero y tener una gran resistencia, sobresaliendo su resistencia a la corrosión (es igual de fuerte que el acero y con pesa un 40% menos que este).

1. 
   Es sólido a temperatura ambiente
2. Alta reactividad
3. Punto de fusión: 1941K (1668,85ºC)
4. Punto de ebullición: 3560K (3287,85ºC)
5. La densidad del titanio 4,51 g/cm³
6. Número de isótopos: 18 (cinco son estables)
7. 
   Isótopos más comunes: Titanio-46, Titanio-47, Titanio-48, Titanio-49 y Titanio-50
8. Gran resistencia a la corrosión frente a medios químicos o al agua debido a la formación de dióxido de titanio (TiO₂) en su superficie. Este óxido es intensamente blanco y muy opaco.
9. Módulo de elasticidad bajo lo que permite que sea muy flexible y volver a su forma original al doblarse.
10. Es altamente refractivo y resistente a los rayos UV

Asimismo, podemos hablar de las aleaciones. Al mezclarlo con aluminio, acero y acero inoxidable obtenemos una alta resistencia a la corrosión, la fatiga, el agrietamiento y las altas temperaturas.

6. APLICACIONES

Es un metal que por sus características metalúrgicas tiene múltiples aplicaciones; productos aeroespaciales, industriales, de procesos químicos, marinos, médicos, deportivos y de consumo.

• Su primera aplicación fue en la industria aeroespacial militar por sus excelentes propiedades estructurales pudiendo soportar la cavitación y la erosión.
• El 80% del TiO₂ se emplea en pinturas, papel y plásticos. Aunque también en esmaltes, tintas, fibras, cosméticos, productos farmacéuticos, palos de golf, cañas de pescar e inclusive alimentos. De hecho, casi todas las pastas de dientes lo incluyen en su composición.
• Por su resistencia a los rayos UV se usa en las pinturas, revestimientos y para los filtros solares ya que resiste la decoloración.
• Al combinarse con otros materiales como el grafito, les da mayor resistencia. Empleándose para equipos deportivos de alta calidad.

Las aleaciones del titanio tienen otras muchas aplicaciones:

• Elementos militares de alto estrés, como aeronaves, barcos navales, misiles y naves espaciales.
• Para componentes críticos. El tren de aterrizaje, los sistemas hidráulicos y los ductos de escape de los helicópteros.
• (Medios en contacto con el agua salada). En los ejes de las hélices de los barcos, para los acuarios de agua salada, líneas de pesca, cuchillos para buceadores y submarinos. Puesto que estas aleaciones son muy resistentes a la corrosión en el agua salada.
• Se usa en la joyería para los que son alérgicos a otros metales (níquel y cobalto) o que utilizan sus joyas en lugares como el mar.
• Tiene múltiples usos industriales ya sean tuberías o equipos de proceso por la misma razón que en el anterior punto.
• En la industria automotriz ya que son resistentes y ligeros aumentando la eficacia y la velocidad del combustible. Usado en modelos de alta gama y rendimiento en sus escapes y en las válvulas de admisión.
• Por último, se emplean para los implantes dentales y biomédicos porque es el metal más biocompatible ya que no reacciona ni se corroe cuando entra en contacto con los fluidos corporales.

7. IMPACTO MEDIOAMBIENTAL

Algunos expertos como Jérôme Labille incide que el TiO₂ es un contaminante por ello hay que reducir las cantidades de este óxido que se encuentran en medio acuático puesto que afecta a la vida marina (esto se debe a que es un componente presente en la mayoría de las cremas solares y al entrar en contacto con el agua acaban quedando restos en esta. En una pequeña playa en la que hay unas 3.000 personas por día dejan 1,7kg de TiO₂).

En Hawái se han prohibido los filtros solares que dañan los arrecifes de coral y se están desarrollando filtro UV de nanopartículas y fórmulas de protección solar que reduzcan el daño del TiO₂.

No solo es eso, si no que en la producción de titanio se emiten a la atmósfera altas cantidades de gases contaminantes como CO_x, NO_x, SO_x, etc. Igualmente se generan varios residuos sólidos (cloruros metálicos y magnesio) y líquidos que pueden ser altamente tóxicos, aunque algunos de estos residuos se pueden reciclar.

En la siguiente tabla se analizará el impacto ambiental del titanio mediante algunas variables que sirven para evaluar y cuantificar el impacto medioambiental.

GER (MJ/kg)	GWP (kg CO2-eq/kg)	AP (kg CO2-eq/kg)	SWB (kg/kg)
361	35,7	O,230	16,9

 

Los valores del GER (Gross Energy Requiement), GWP (Global Warming Potential) y AP (Acidification Potential) son relativamente bajos pero el titanio genera un mayor impacto medioambiental. Principalmente por su elaborado proceso de producción y según el SWB (Solid Waste Burden) este metal produce una gran cantidad de residuos.

 

La conclusión que podemos obtener es que el titanio es un material que nos brinda muchas oportunidades por sus varias aplicaciones. Pero al mismo tiempo es bastante costoso y contaminante producirlo. En un futuro puede que sea un metal que solo esté disponible para personas con grandes fondos o para maquinaria de excelente calidad. Eso si no se descubre otro material que pueda opacar sus características