Titanio

Escandio ← Titanio → Vanadio -     22 Ti                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Ti ↓ Zr Tabla completa • Tabla extendida
Apariencia
Plateado
Información general
Nombre, símbolo, número	Titanio, Ti, 22
Serie química	Metales de transición
Grupo, período, bloque	4, 4, d
Masa atómica	47,867 u
Configuración electrónica	[Ar]3d24s2
Dureza Mohs	6
Electrones por nivel	2, 8, 10, 2 (imagen)
Propiedades atómicas
Radio medio	140 pm
Electronegatividad	1,54 (Pauling)
Radio atómico (calc)	176 pm (Radio de Bohr)
Radio iónico	{{{radio_iónico}}}
Radio covalente	136 pm
Radio de van der Waals	Sin datos pm
Estado(s) de oxidación	4
Óxido	Anfótero
1.ª Energía de ionización	658,8 kJ/mol
2.ª Energía de ionización	1309,8 kJ/mol
3.ª Energía de ionización	2652,5 kJ/mol
4.ª Energía de ionización	4174,6 kJ/mol
5.ª Energía de ionización	9581 kJ/mol
6.ª Energía de ionización	11533 kJ/mol
7.ª Energía de ionización	13590 kJ/mol
8.ª Energía de ionización	16440 kJ/mol
9.ª Energía de ionización	18530 kJ/mol
10.ª Energía de ionización	20833 kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinario	Sólido
Densidad	4507 kg/m3
Punto de fusión	1941 K
Punto de ebullición	3560 K
Punto de inflamabilidad	{{{P_inflamabilidad}}} K
Entalpía de vaporización	421 kJ/mol
Entalpía de fusión	15,45 kJ/mol
Presión de vapor	0,49 Pa a 1933 K
Temperatura crítica	{{{T_crítica}}} K
Presión crítica	{{{P_crítica}}} Pa
Volumen molar	m3/mol
Varios
Estructura cristalina	Hexagonal
N° CAS	7440-32-6
N° EINECS	231-142-3
Calor específico	520 J/(K·kg)
Conductividad eléctrica	2,38 × 106 S/m
Conductividad térmica	21,9 W/(K·m)
Velocidad del sonido	4140 m/s a 293.15 K (20 °C)
Isótopos más estables
iso AN Periodo MD Ed PD MeV 44Ti Sintético 60,0 a ε 0,268 44Sc 46Ti 8,25 % Estable con 24 neutrones 47Ti 7,44 % Estable con 25 neutrones 48Ti 73,72 % Estable con 26 neutrones 49Ti 5,41 % Estable con 27 neutrones 50Ti 5,18 % Estable con 28 neutrones
Nota: unidades según el SI y en CNPT, salvo indicación contraria.

El titanio es un elemento químico de símbolo Ti y número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, metal con el que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero (4,5/7,8). Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso que aquel, lo cual limita su uso industrial.

Es un metal abundante en la naturaleza; se considera que es el cuarto metal estructural más abundante en la superficie terrestre y el noveno en la gama de metales industriales. No se encuentra en estado puro sino en forma de óxidos, en la escoria de ciertos minerales de hierro y en las cenizas de animales y plantas. Su utilización se ha generalizado con el desarrollo de la tecnología aeroespacial, donde es capaz de soportar las condiciones extremas de frío y calor que se dan en el espacio y en la industria química, por ser resistente al ataque de muchos ácidos; asimismo, este metal tiene propiedades biocompatibles, dado que los tejidos del organismo toleran su presencia, por lo que es factible la fabricación de muchas prótesis e implantes de este metal.

El titanio fue declarado material estratégico por parte de Estados Unidos durante muchos años. Puede formar aleaciones con otros elementos, tales como hierro, aluminio, vanadio, molibdeno y otros, para producir componentes muy resistentes que son utilizados por las industrias aeroespacial, aeronáutica, militar, petroquímica, agroindustrial, automovilística y médica.

Contenido 1 Historia 2 Isótopos 3 Características del titanio 3.1 Características físicas 3.2 Características mecánicas 3.3 Características químicas 4 Metalurgia del titanio: el método Kroll 5 Aleaciones de titanio 6 Procesos tecnológicos del titanio 6.1 Fundición 6.2 Forja 6.3 Soldadura 6.4 Extrusión 6.5 Embutición 6.6 Mecanizado 6.7 Fresado químico 6.8 Rectificado de precisión 6.9 Pulvimetalurgia 7 Tratamientos del titanio 7.1 Tratamiento termoquímico: nitruración 7.2 Tratamiento superficial 8 Aplicaciones del titanio 8.1 Aplicaciones biomédicas: titanio quirúrgico 8.2 Otros usos 9 Aplicaciones del titanio no metálico 9.1 Tetracloruro de titanio 9.2 Dióxido de titanio 9.2.1 Aplicaciones 10 Productores mundiales de titanio 11 Titanio y toxicidad 12 Referencias y bibliografía 13 Véase también 14 Enlaces externos

Historia

El titanio (que recibe el nombre de los Titanes, hijos de Urano y Gea de la mitología griega) fue descubierto en 24 A.C 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 Este elemento es muy habitual 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, reducciendo 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.^[1]

En la década de 1950 y 1960 la Unión Soviética lo empleó en usos militares. En los EE. UU., el Departamento de Defensa (DOD) entendiendo la importancia estratégica del metal apoyó. Durante la guerra fría, el gobierno estadounidense lo consideró un material estratégico, y las reservas de esponja de titanio fueron mantenidas por el Centro de Reservas Nacional de Defensa, que desapareció en 2005. Hoy el mayor productor mundial es el consorcio ruso VSMPO-AVISMA, que supone el 29% de la producción mundial.

En 2006, la Agencia de Defensa estadounidense subvencionó con 5,7 millones de dólares a dos empresas para desarrollar un nuevo proceso de fabricación de polvo de titanio. Pues con calor y presión, el polvo de titanio de peso ligero sirve para revestir y fortalecer superficies como armaduras o componentes del sector aeroespacial, el transporte o industrias de tratamiento químico.

Isótopos

Se encuentran 5 isótopos estables en la naturaleza: ⁴⁶Ti, ⁴⁷Ti, ⁴⁸Ti, ⁴⁹Ti y ⁵⁰Ti, siendo el ⁴⁸Ti el más abundante (73,8%). Se han caracterizado 11 radioisótopos, siendo los más estables el ⁴⁴Ti, con un periodo de semidesintegración de 60 años, ⁴⁵Ti (184,8 minutos), ⁵¹Ti (5,76 minutos) y el ⁵²Ti (1,7 minutos). Para el resto, sus periodos de semidesintegración son de menos de 33 segundos, y la mayoría de menos de medio segundo.

El peso atómico de los isótopos va desde 39,99 uma (⁴⁰Ti) hasta 57,966 uma (⁵⁸Ti). El primer modo de decaimiento antes del isótopo más estable, el ⁴⁸Ti, es la captura electrónica, mientras que después de éste es la desintegración beta. Los isótopos del elemento 21 (escandio) son los principales productos de decaimiento antes del ⁴⁸Ti, mientras que después son los isótopos del elemento 23 (vanadio).

Características del titanio

Características físicas

Entre las características físicas del titanio se tienen las siguientes:

• Es un metal de transición.
• Su densidad o peso específico es de 4507 kg/m³.
• Tiene un punto de fusión de 1675 °C (1941 K).
• Su masa atómica es de 47,867 u.
• Es de color plateado grisáceo.
• Es paramagnético, es decir, no se imanta debido a su estructura electrónica.
• 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.

Características mecánicas

Entre las características mecánicas del titanio se tienen las siguientes:

• 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 varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.
• Mantiene una alta memoria de su forma.

Características químicas

• 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 (hcp) llamada fase alfa. Por encima de 882 °C presenta estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) se conoce como fase beta.
• La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que lo recubre). 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.

Metalurgia del titanio: el método Kroll

El titanio no se encuentra libre en la naturaleza, los minerales que muestran una mayor concentración de este metal son el rutilo (TiO₂) y la ilmenita(FeO•TiO₂), además de la anatasa y la brookita (ambas son también TiO₂).

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, según la reacción:

  2 FeTiO₃ + 7 Cl₂ + 6 C → 2 TiCl₄ + 2 FeCl₃ + 6 CO

• Se reduce el TiCl₄ con magnesio o sodio molido en atmósfera inerte según:
• Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción:

  TiCl₄ + 4 Na → 4NaCl + Ti

• Si se utiliza el Magnesio (Mg) para purificarlo se produce la siguiente reacción:

  TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂^[2]

En la actualidad (2007) existen formas de refinado del titanio, como alternativa al método Kroll, tradicionalmente utilizado desde 1937.

Aleaciones de titanio

Comercial y técnicamente existen muchas aleaciones de titanio. Las aleaciones más conocidas son las siguientes:

Ti grado 2, tiene la siguiente composición química: TiFe(0,25-0,30) 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). Sus principales aplicaciones son campos donde se requiere resistencia a la corrosión y conformabilidad como las tuberías, intercambiadores de calor, etc.

Ti grado 5, conocido como Ti6Al4V, tiene un porcentaje del 6% de aluminio y un 4% de vanadio. Es la aleación de titanio más utilizada, sobre todo, en el campo de la aeronáutica, en el de la biomedicina o la estomatología. 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). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas como en ( tornillería y piezas forjadas)

Ti grado 19, tiene la siguiente 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). 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: 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) Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica obtenida por temple.

Las especificaciones ASTM (American Society for Testing and Materials) clasifican las diferentes presentaciones del titanio.

Los más utilizados son los siguientes:

• Ti grado 1, 2, 3 y 4 incluyen el llamado titanio puro con una composición superior al 99% de Ti.
• Ti grado 5 y 9 son aleaciones resistentes a la corrosión y un resistencia mecánica media.
• Ti grado 7, 11 y 12 son aleaciones muy resistentes a la corrosión.

La aleación Ti Beta-C es una aleación muy resistente a la corrosión y a la temperatura.

Las normas ASTM fijan las utilidades del titanio y sus aleaciones:

• ASTM B265: fleje, pletina y chapa
• ASTM B263: accesorios soldados y sin soldadura
• ASTM B348: barras y palanquillas
• ASTM B367: piezas de fundición
• ASTM B381: forjados
• ASTM B861: tubería sin soldadura
• ASTM B862: tubería soldada
• ASTM B863: hilo y alambre

Procesos tecnológicos del titanio

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 muchas aplicaciones donde se utilizan piezas fundidas desde piezas muy voluminosas hasta piezas muy pequeñas de aplicaciones biomédicas.

Hay dos métodos principales para la fundición de piezas:

• Fundición por moldeo de grafito apisonado, recomendado para la fundición de piezas de gran tamaño por ser el procedimiento más económico porque no hay necesidad de fabricar moldes especiales.

• Fundición a la cera perdida, es el método más apropiado para fundir piezas pequeñas y de gran precisión con acabados de alta calidad.

En el desarrollo de las diferentes prótesis óseas y dentales se recurre a la fundición de los componentes en hornos muy sofisticados para obtener una gran precisión y calidad de las piezas fundidas, a partir de los moldes adecuados. Debido a la afinidad del titanio líquido por el oxígeno, nitrógeno e hidrógeno, así como la reactividad con los crisoles y moldes metálicos, se requiere que la fusión sea al vacío y en crisoles de grafito.

Las propiedades mecánicas de las piezas de fundición son muy similares a las de las piezas forjadas y del titanio en general. Se funden piezas de hasta 600 kg, tanto de titanio comercial puro como de las diferentes aleaciones.

La verificación de piezas fundidas se realiza mediante líquidos penetrantes, rayos X o ultrasonidos.

Forja

Para la conformación de piezas de titanio por forjado se pueden utilizar las técnicas y herramientas convencionales que se utilizan para el forjado de piezas de acero. El forjado en caliente exige controlar rigurosamente la temperatura con la que se trabaja, para obtener un control exacto de la estructura de la pieza y de sus propiedades.

Se pueden forjar piezas de cualquier aleación de titanio con estructura de grado único y con una resistencia y dureza direccionales o localizadas. Las modernas máquinas herramientas de mecanizado por Control Numérico está eliminando muchas veces el forjado de piezas cuando se trata de series reducidas porque es más económico realizar un mecanizado de desbaste general de la pieza y un posterior acabado fino que un proceso de forja

La posibilidad de la deformación en caliente si se hace a temperatura superior a la transformación alotrópica que es equivalente a la de los aceros inoxidables, puede presentar en algunos casos superelasticidad.

Ejemplo de piezas forjadas pueden ser las siguientes:

• Bielas de motores de automóviles de competición
• Prótesis e implantes médicos
• Cabezas de palos de golf
• Turbinas de turbo-compresores
• Accesorios para tuberías
• para cabeceros de cama o elementos decorativos como figuras de adorno

Soldadura

A la hora de afrontar la soldadura de piezas de titanio hay que tener en cuenta que si se supera la temperatura de fusión, puede sufrir una decoloración porque reacciona fácilmente en contacto con los gases atmosféricos. Esta decoloración puede suponer pérdida de ductilidad y de resistencia mecánica. Por lo tanto es muy importante que en la soldadura se proteja la zona de soldadura con gases inertes.

También perjudican la soldadura los contaminantes de las superficies a soldar, tales como óxido, polvo, limaduras y virutas, por lo que deben eliminarse por baño de decapación, mecanizado pulido o chorro de arena.

La soldadura debe limpiarse con paño de acetona o cepillo de acero inoxidable o titanio

El titanio de grado 2 y 5 poseen una buena soldabilidad aunque pierden un poco de valor de sus propiedades mecánicas con respecto al metal base.

El equipo de soldadura con arco de gas inerte para titanio (TIG, MIG) es similar a los equipos utilizados para soldar acero, aunque se requiere una mejor protección del gas inerte. En caso de piezas críticas donde la protección gaseosa sea difícil puede ser necesario realizar la soldadura en una cámara de soldadura.

Para la verificación de piezas soldadas se puede recurrir a los métodos tradicionales de rayos X, ultrasonidos o líquidos penetrantes.

Los procesos de soldadura que admite el titanio son:

• Fricción.
• Soldadura con rayo de electrones.
• Soldadura por rayo láser.
• Soldadura por plasma.
• Soldadura por puntos
• Soldadura por arco con electrodo consumible o no.
• Procesos por fusión, control con atmósfera inerte o en vacío. No fundentes.

Extrusión

Extrusión es en general, la acción de dar forma o moldear una masa haciéndola salir por una abertura especialmente dispuesta.

El titanio y sus aleaciones permiten ser extruidos, pudiendo obtener diversos perfiles tanto para acabados en bruto como para piezas finales. La técnica de extrusión es particularmente recomendable para la producción de pieza largas y de sección compleja.

Embutición

La embutición es una técnica para moldear metales en caliente en un sola operación con la acción conjunta de una prensa y el molde o troquel adecuado a la pieza que se quiere fabricar. Para facilitar la embutición es necesario que el material tenga una gran elongación a la tracción. que se trate de materiales policristalinos da grano fino a altas temperaturas. Esta propiedad la tiene la aleación de titanio de grado 5 Ti₆Al₄V.

La técnica consiste colocar la pieza a moldear entre las dos mitades del troquel o molde, calentando a la temperatura que permita la mejor plasticidad del material. Se insufla argón en la parte superior del molde forzando la lámina de titanio hacia la parte interior del troquel.

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 más elástico que el acero por lo que las piezas mal sujetas pueden tender a doblarse ante las herramientas de corte. Hay que refrigerar el mecanizado con un refrigerante adecuado teniendo en cuenta que el titanio es mal conductor térmico y por tanto difícil de refrigerar, pudiendo deteriorar el filo de corte de las herramientas a consecuencia de las altas temperaturas en la zona de corte.

Fresado químico

Las piezas de titanio permiten el fresado químico de tal manera que se puede conseguir una gran precisión en dicha operación. Para esta tarea se utiliza un ataque de ácido de superficie, selectivo y controlado.

Rectificado de precisión

Los rectificados 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. Para el rectificado cilíndrico se recomiendan muelas con alúmina y un refrigerante adecuado de chorro de gran caudal que sea muy bien filtrado y cambiarlo a menudo.

Pulvimetalurgia

La 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.

La pulvimetalurgia del titanio se utiliza para la fabricación de piezas complejas de espesores muy pequeños, por ejemplo menores de 1 mm, donde se exijan acabados superficiales muy finos.

Se puede conseguir pulvitanio de base mediante las siguientes técnicas:

• Sinterizado compactado en frío
• Sinterizado prensado isostático en frío
• Prensado isostático en caliente
• Prensado en caliente al vacío o en un molde interior

Tratamientos del titanio

Tratamiento termoquímico: nitruración

El tratamiento termoquímico de nitruración del titanio puro y de la aleación Ti₆Al₄V produce una capa de revestimiento lisa y homogénea , con incrementos de la dureza superficial de hasta un 500% respecto al material no tratado.

La capa de nitruro de titanio formada tiene un espesor de 2-3 mm, en tres horas de tratamiento, formada por pequeños granos de nitruros con diámetros del orden de los 50-100 nm. El componente principal de la capa es nitruro de titanio (Ti₂N)

Este tipo de tratamiento tiene gran utilidad en las aplicaciones biomédicas del titanio y en los componentes de motocicletas y automóviles de competición: bielas, válvulas, etc.^[3]

Las piezas a tratar se colocan en una cámara en vacío y son sometidas a una temperatura de 500 °C. Se inyecta nitrógeno, que en contacto con iones de titanio, reaccionan para formar nitruro de titanio, presentando al final del proceso un color dorado. Con esta técnica la dureza superficial puede aumentar hasta 2600 HRB. Las piezas nitruradas tienen una gran resistencia a la corrosión.

Tratamiento superficial

Como tratamientos superficiales del titanio se pueden citar los siguientes:

• Lubricación
• Oxidación térmica
• Anodización
• Electroplaqueado
• Ionización

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. Donde más se aplica este tipo de lubricación es en tornillos y pernos roscados.

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 que, además, puede originar una variedad de colores muy atractiva que amplía las posibilidades del titanio en el sector de la joyería y de la decoración. Existen distintas técnicas para llevar a cabo la oxidación superficial del titanio para producir su coloración, como son el tratamiento térmico, el procesado con plasma o la oxidación electrolítica.

Ya existe una alternativa a los métodos tradicionales de oxidación que consiste en que el tratamiento superficial se realice con láser. Esta técnica presenta una gran resolución espacial, rapidez de procesado y ausencia de contacto material con la pieza a tratar. Además, la posibilidad de irradiar zonas de difícil acceso y la versatilidad de los sistemas de marcado proporcionan al láser una gran aplicabilidad en la coloración del titanio. El proceso de láser también puede ser empleado posteriormente al proceso de anodizado para escribir, grabar y marcar.^[4]

El proceso de 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. Si durante la anodización se depositan polímeros de bajo coeficiente de rozamiento se aumenta la dureza superficial de la pieza.

El tratamiento superficial de ionización se realiza en frío y consiste en acelerar en vacío iones de nitrógeno y hacerlos impactar contra la superficie tratada. Con este procedimiento la dureza superficial aumenta hasta 1500 HV. Esta técnica da muy buenos resultados en el tratamiento de engranajes y tornillería.

Aplicaciones del titanio

Aplicaciones biomédicas: 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.

Esta reacción normalmente sólo se presenta en los materiales llamados bioactivos y es la mejor base para los implantes dentales funcionales.

• 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.

Otros usos

• 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 principalmente a sus características de resistencia mecánica (lo que hace que los haces tubulares que constituyen esos 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, lo que lo hace mucho químicos: Determinadas aleaciones de titanio 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 lorito e hipoclorito, el ácido nítrico, los ácidos crómicos, los cloruros metálicos, los sulfuros o los ácidos orgánicos.
• Industria automovilística: Un sector nuevo se ha incorporado a la fabricación de componentes de titanio, donde las empresas automovilísticas están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos, así por ejemplo ya existen muelles y bielas de titanio. Especialmente en el caso de los muelles se mejora el módulo de Young y una mejor calidad de la suspensión.
• Industria militar: El titanio se emplea en la industria militar como material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles.

• 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.
• Construcción naval: La propiedad que tiene el titanio de ser resistente a la corrosión permite que algunas de sus aleaciones sean muy utilizadas en construcción naval donde se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas, así como intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el contacto con el agua salada no le afecta.
• Industria relojera: Los relojes deportivos que requieren un material resistente a menudo usan el titanio, un metal fuerte, blanco. 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. Se fabrican las cajas de titanio e incluso las correas de sujeción.
• Joyería: Metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería. Así es posible encontrar pulseras, pendientes, anillos, etc., fabricados en este metal. Para mejorar el aspecto superficial del titanio se le somete a diferentes tipos de procesos que refuerzan su belleza.
• Instrumentos deportivos: Con titanio se producen actualmente distintos productos de consumo deportivo como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc.
• Decoración: También se han empleado láminas delgadas de titanio para recubrir algunos edificios, como por ejemplo el Museo Guggenheim de Bilbao.

Aplicaciones del titanio no metálico

Algunos compuestos de titanio pueden tener aplicaciones en tratamientos contra el cáncer. Por ejemplo, el cloruro de titanoceno en el caso de tumores gastrointestinales y de mama.

Tetracloruro de titanio

El tetracloruro de titanio (TiCl₄)es un líquido entre incoloro y amarillo. En contacto con agua forma ácido clorhídrico y compuestos de titanio. El tetracloruro de titanio no se encuentra de forma natural y es producido a partir de minerales que contienen titanio.

Se emplea en la fabricación de titanio metálico o para obtener bióxido de titanio.^[5] El (TiCl₄) se obtiene mediante un proceso de cloración a 800 °C, en presencia de carbono(C) mediante la reacción:

Posteriormente si se desea obtener titanio puro se purifica este producto con magnesio (Mg) o sodio molido (Na) mediante destilación fraccionada en una atmósfera inerte (por ejemplo con argón) con la reacción:

Si se utiliza el Sodio (Na) en el proceso se producen la siguiente reacción:

Si se utiliza Magnesio (Mg) se producen la siguiente reacción:

Para manejar este producto hay que tomar precauciones porque entra en el ambiente principalmente en el aire de las instalaciones industriales donde se produce mediante una variedad de procesos químicos, o como resultado de derrames.

Si hay humedad en el aire, el tetracloruro de titanio reacciona rápidamente con ésta para formar ácido clorhídrico y otros compuestos de titanio, tales como el hidróxido de titanio y los oxicloruros de titanio.

Algunos de los compuestos de titanio pueden depositarse en el suelo o el agua. En el agua, estos se depositan en el sedimento del fondo donde pueden permanecer por largo tiempo.

El tetracloruro de titanio se degrada rápidamente en el aire, por lo que no es tóxico a menos que trabaje en una industria que lo manufactura o lo usa. El personal que trabaja en una industria que usa tetracloruro de titanio, podría estar expuesto respirándolo o tocándolo. Si se derrama tetracloruro de titanio, puede haber contacto con la piel.

El tetracloruro de titanio es muy irritante a los ojos, la piel, membranas mucosas y los pulmones. Respirar grandes cantidades puede causar serios daños a los pulmones. El contacto con el líquido puede causar quemaduras a los ojos y la piel.

Dióxido de titanio

El dióxido de titanio es un compuesto cuya fórmula es (TiO₂).Se encuentra en una forma negra o de color castaño conocida como rutilo. Las formas naturales que se encuentra menos en la naturaleza son la anatasita y la brooquita.Tanto el rutilo como la anatasita puros son de color blanco. El óxido básico negro, (FeTiO₃), se encuentra en forma natural como el mineral llamado ilmenita. El dióxido de titanio es la principal fuente comercial del titanio. Aproximadamente el 95% del titanio que se consume lo hace en forma de dióxido de titanio, debido a las múltiples aplicaciones industriales que tiene.

Aplicaciones

• Los pigmentos de dióxido de titanio se utilizan principalmente en la producción de pinturas y plásticos, así como en papel, tintas de impresión, cosméticos, productos textiles, farmaceúticos y alimentarios. El dióxido de titanio 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.
• El dióxido 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.^[6]

Productores mundiales de titanio

Principales productores de óxido de titanio en 2003

País	Miles de toneladas	% del total
Australia	1291	30,6
Sudáfrica	850	20,1
Canadá	767	18,2
Noruega	382	9,1
Ucrania	357	8,5
Total de los 5 países	3647	86,4
Total mundo	4221	100

Cifras del 2003, en miles de toneladas de dióxido de titanio.

El titanio es el noveno elemento más abundante en la corteza terrestre (supone el 0,63% del peso total). Sin embargo, en la naturaleza siempre se encuentra unido químicamente a otros elementos, formando minerales en los que la fracción de titanio suele ser pequeña.

De todos los minerales de titanio, solo el rutilo y la ilmenita son explotables económicamente y esto sólo cuando la concentración de titanio es suficientemente alta. Existen depósitos significativos de titanio en forma de ilmenita en Australia occidental, Canadá, Nueva Zelanda, Noruega y Ucrania. Se extraen grandes cantidades de rutilo en Norteamérica y Sudáfrica. Las reservas conocidas de titanio se estiman en unas 600 millones de toneladas (expresadas como TiO₂).

Titanio y toxicidad

Tanto el titanio como en el dióxido de titanio tienen un nivel bajo de toxicidad.

La sobreexposición 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.

Respecto a su cancerogenicidad, la agencia internacional para la investigación del cáncer (IARC) dice que el titanio no es clasificable como elemento cancerígeno para los humanos.^[7]

Referencias y bibliografía

Este artículo incorpora material de http://www.lowde.com , que mediante una autorización permitió agregar contenido e imágenes del Manual de Titanio que incorpora en la web y publicarlos bajo licencia GFDL.

Véase también

• Rutilo

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre TitanioCommons.

• EnvironmentalChemistry.com - Titanium