UNIVERSIDAD DE CONCEPCION CAMPUS LOS ÁNGELES ESCUELA DE EDUCACIÓN DEPT. CIENCIAS BÁSICAS PEDAGOGÍA EN MATEMÁTICAS Y EDUCACIÓN TECNOLÓGICA
“Materiales modernos: Titanio, obtención, aleaciones y aplicaciones”
ASIGNATURA: QUIMICA TECNOLOGICA PROF: FRANCISCO BROVELLI SEPULVEDA. INTEGRANTES: PAMELA ANDREA GUTIERREZ BELTRAN ALEJANDRA STEFHANIA HERRERA TORRES CAROLINA FABIOLA INOSTROZA RIVERA
NATALIA PATRICIA INZUNZA MUÑOZ
14 de Noviembre, 2011
OBJETIVO GENERAL
Presentar las principales aplicaciones del titanio en el mundo actual
OBJETIVOS ESPECIFICOS -
Describir las características del titanio.
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Comprender el proceso de los métodos de obtención de este metal y sus aleaciones
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Indicar aplicaciones y usos dentro de la vida cotidiana.
TITANIO
Es un elemento descubierto en el año 1791 por William Gregor, Mineralogista, al analizar un material que había encontrado. Cuatro años después, Martin Klaproth lo bautizó con el nombre de Titanio; luego de reiterados intentos en la obtención de este metal, en el año 1910 Matthew Hunter por primera vez pudo obtenerlo de forma pura, al calentar tetracloruro de titanio con sodio a una temperatura que rodea los 700 a 800 °C. Años más tarde, en 1946, William Kroll desarrolló
un método para producir titanio
industrialmente, que sigue siendo utilizado en la actualidad. El titanio es un metal con símbolo Ti, número atómico 22, masa atómica 47,867 u y punto de fusión de 1675 °C. Está ubicado en la parte central de la tabla periódica, donde se encuentran los metales de transición que tienen por característica su configuración electrónica del orbital d. Es un material de color gris plata, liviano, resistente a la corrosión y tiene gran resistencia mecánica. Es el cuarto metal más abundante en la corteza terrestre el cual no se encuentra en estado puro, sino que en forma de óxidos, en la escoria de ciertos minerales de hierro, en las rocas ígneas, sedimentos y en las cenizas de animales y plantas. Otras características importantes del titanio es que soporta altas temperaturas, permite la fabricación de láminas muy delgadas producto de la maleabilidad (capacidad de un material sólido a adquirir deformación plástica por compresión sin fracturarse), es no magnético, posee una excelente tenacidad y resistencia a la fatiga. Como mencionamos anteriormente, este metal no se encuentra en forma pura y es por ello que existen algunos métodos de obtención de este elemento, los que se presentarán a continuación.
MÉTODOS DE OBTENCIÓN
El titanio, como mencionamos anteriormente, dentro de la naturaleza no se encuentra libre; en los minerales que se encuentra principalmente es en anatasa (TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3), perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) y titanita (CaTiSiO5) es por ello que se debe realizar algún método de obtención para extraer este de forma pura, los depósitos mas importantes en Australia, la región de Escandinavia, Estados Unidos y Malasia. Los métodos que se utilizan a nivel industrial para obtener titanio son William kroll, Matthew Hunter y para obtener titanio de alta pureza se utiliza el método de laboratorio denominado Van Arkel-De Boer. Método William Kroll Es un proceso que permite la obtención de cantidades apreciables de titanio puro. Consiste en la reducción de tetracloruro de titanio con magnesio, el cual se debe realizar en una atmosfera de gas inerte (Argón) para evitar la oxidación.
El proceso consta de los siguientes pasos: 1 - Obtención de tetracloruro de titanio por cloración a 800°C, en presencia de carbón, mediante la reacción: TiO2 + 2Cl2 + 2C → TiCl4 + 2CO 2 - Se purifica el tetracloruro de titanio mediante destilación fraccionada. 3 - Se reduce el TiCl 4 con magnesio en una atmósfera inerte, con la reacción: TiCl 4 + 2Mg → Ti + 2MgCl 2 4 - El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl 2 se recicla electrolíticamente. 5 - Se compacta la esponja resultante. 6 - Se funde la esponja en un horno con un crisol de cobre refrigerado, mediante un arco eléctrico de electrodo consumible en una atmósfera inerte. En el método de
Hunter
se realiza el mismo proceso utilizando sodio en vez de
magnesio; la diferencia entre ambos métodos consiste esencialmente en la capacidad de reacción tanto del magnesio como del sodio, donde este último posee una velocidad de reacción casi instantánea, siendo impredecible su comportamiento y dificultando el manejo y control de este elemento. Por otra parte, ambos procesos ( Kroll y
Hunter )
forman una esponja de magnesio y de sodio, respectivamente, en donde la segunda es granular, lo que facilita el proceso ya que tiene una mayor superficie de contacto que la esponja producida por magnesio. Los reactivos tanto sodio como magnesio, son los agentes principales de la reducción ya que tienen una gran importancia en el proceso, y debido a la necesidad de utilizarlos, es que influyen directamente en los costos del uso de los métodos de obtención del titanio. Cada uno de estos reactivos posee un elevado costo, es por eso que el método más utilizado es el de
Kroll ya
que el magnesio al tener una reacción más lenta
se necesita en menor cantidad para realizar el proceso por completo.
En estos procesos, la toxicidad de los agentes reductores y de los elementos utilizados para la obtención del titanio es muy elevada y es por ello que es necesario realizarlo en un sistema cerrado.
Método Van Arkel-De Boer
A diferencia de los métodos anteriores, éste se desarrolló con posterioridad, basándose en la purificación del titanio mediante la descomposición con yodo. Este proceso es utilizado mayormente en laboratorio ya que sólo se puede extraer cantidades pequeñas de titanio pero de muy alta pureza que beneficia para investigaciones. El proceso es el siguiente: 1- El titanio crudo se hace reaccionar con yodo en atmósfera inerte para formar
yoduro de titanio 2- El yoduro de titanio se descompone en las superficies de un hilo de titanio calentado, el cual actúa como núcleo para el crecimiento de una barra cilíndrica, compuesta de cristales de titanio de alta pureza.
A continuación se presentará una tabla de comparación de los diferentes grados de impurezas obtenidos mediante el método de kroll y el método de formación de yoduro.
Elemento (%) Mg Si Al Fe Ni Co Cr Mn C N O (%) total impurezas
Ti (yodo ) 0,01 0,01 0,02 0,01 0,01 0,01 0,005 0,01 0,02 0,02
Ti (Kroll ) 0,13 0,05 0,2 0,02 0,02 0,08 0,04 0,11
0,125
0,65
Con esto queda evidenciado que la cantidad de impurezas presentes en el método de Kroll es más elevado que el de Van Arkel-De Boer, siendo más útil a nivel de laboratorio para estudios del Titanio. ALEACIONES Y APLICACIONES El titanio posee una gran capacidad a reaccionar con oxígeno y nitrógeno en caliente, es por ello que se ha hecho necesario desarrollar técnicas para fusión, afino y moldeo para la obtención de las aleaciones. El agregar elementos de aleación al titanio, cambia la temperatura de transformación de alfa a beta. Los elementos que se agregan son llamados estabilizadores de alfa o beta. Los estabilizadores se dividen en: •
Estabilizadores de la fase α, donde encontramos las aleaciones con elementos que tienen menos de cuatro electrones de enlace por átomo, estos aumentan la temperatura de transformación. Ejemplos: Aluminio, galio, oxigeno, nitrógeno y carbono.
a r u t a r e p m e T
E
m
Contenido de
•
Estabilizadores de la fase β, donde encontramos las aleaciones con elementos que tienen más de cuatro electrones de enlace por atomo, estos disminuyen la temperatura de transformación. Ejemplos: molibdeno, vanadio, hierro, níquel, entre otros.
a r u t a r e p m e T
E
m
Contenido de
Aleaciones alfa Las aleaciones alfa tienen dos atributos principales: la capacidad de soldado y la retención de resistencia a altas temperaturas. El aluminio es el fortalecedor más efectivo de las aleaciones alfa
Las aleaciones alfa tienen aplicaciones como ensambles de tubos de escape para avión y otros componentes formados de lámina que operan hasta temperaturas de 900 ºF y tanques para combustible de proyectiles y partes estructurales que operan por pocos períodos a temperaturas hasta de 1100 ºF.
Tubos de escape de titanio
Aleaciones beta (β): Las aleaciones beta se caracterizan por poseer una densidad superior (4,8 g/cm 3) a la de la mayoría de las otras aleaciones comerciales y además no es estable térmicamente a temperaturas superiores 149ºC, el cromo, el molibdeno, el vanadio, el magnesio y el hierro son estabilizadores beta. Las aleaciones beta son utilizadas para sujetadores de alta resistencia, vigas y para componentes aeroespaciales.
Aleaciones alfa + beta Sus
características
principales
son
alta
ductilidad,
buena
resistencia,
endurecimiento y propiedades uniformes. Se pueden mejorar sus características mecánicas por tratamientos térmicos de solubilizacion y envejecimiento lo que puede incrementar la resistencia a la tracción entre un 30 y 50%. Una de las aleaciones de titanio más utilizada de todas las que existen en el mercado se encuentra en Ti-6A 1- 4V, donde un 45% de la producción de titanio se dedica a dicha aleación, mientras un 30% se destina a los grados de titanio sin alear y el otro 25% se reparte entre todas las demás aleaciones. Algunas de sus aplicaciones son Motores aéreos (alabes, compresores, conductos y carcasas), Estructuras aeroespaciales (aviones civiles 7% y militares 20%, paneles, mamparos fuselaje, conducciones aire acondicionado), Alabes turbias de vapor, cigüeñales y arboles de levas de grandes maquinas, componentes de automóviles y motocicletas, Condensadores, válvulas, Implantes de cadera, elementos de fijación, implantes y fundas dentales.
APLICACIONES DEL TITANIO El titanio es un metal muy utilizado para la construcción de elementos de máquinas aeronáuticas, piezas odontológicas, en la medicina, etc. gracias a lo liviano que es y a las variadas aleaciones que existen con este metal, puesto que las características que cada una posee, permiten utilizar determinadas aleaciones para la elaboración de distintos objetos según las necesidades que se quieran suplir. A continuación se presentarán las distintas aplicaciones del titanio, según sus características: Aplicaciones biomédicas: Titanio quirúrgico
El titanio es un metal biocompatible, puesto que los tejidos del organismo toleran su presencia sin que se hayan observado reacciones alérgicas. Esta propiedad de biocompatibilidad del titanio unido a sus cualidades de dureza, ligereza y resistencia han hecho posible una gran cantidad de aplicaciones de mucha utilidad para aplicaciones médicas, como prótesis de cadera y rodilla, tornillos óseos, placas anti-trauma e implantes dentales, componentes para la fabricación de válvulas cardíacas y marcapasos, gafas, herramental quirúrgico tales como bisturís, tijeras, etc., y también las piezas llamadas piercing.
•
Industria automovilística
En este sector, se están fabricando piezas de titanio con el fin de aligerar el peso de los vehículos como por ejemplo: carrocerías, partes de piezas del motor, bielas, etc.
•
Industria militar
En esta área, el titanio se emplea como material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles
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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, como por ejemplo en la construcción de forjados estructurales de los aviones, discos de ventilación y palas de turbinas.
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Construcción naval
Otra aplicación importante, gracias a la resistencia a la corrosión y a algunas aleaciones, es en la 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.
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Industria relojera
Los relojes deportivos que requieren un material resistente, a menudo usan el titanio, un metal fuerte y 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.
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Joyería
Metal seminoble en el ámbito de la joyería y de la bisutería (industria que produce objetos o materiales de adorno que imitan a la joyería pero que están hechos de materiales no preciosos). 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.
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Instrumentos deportivos
En el área deportiva, el titanio se utiliza para la producción de instrumentos deportivos como palos de golf, bicicletas, cañas de pescar, etc., permitiendo así que los deportistas tengan mayor rendimiento en sus disciplinas, ya que sus elementos son más livianos. En edificaciones, sólo se ha empleado para el recubrimiento de edificios, como es el caso del Museo Guggenheim de Bilbao.
CONCLUSIONES Gracias a todo lo expuesto en el transcurso del informe, podemos concluir que el titanio es un elemento con gran importancia dentro de nuestra actualidad para tener una mejor vida día a día, ya que, principalmente como ejemplo basta considerar los casos que antiguamente no existían las prótesis de ciertas extremidades que alguna persona, los tratamientos dentales no perduraban por tanto tiempo, las carcasas de ciertas estructuras no eran tan rígidas como muchas otras utilidades dentro de nuestra vida. Por otro lado, también hay que tomar en consideración los procesos de obtención del material necesario, para este caso es el titanio, el cual no se encuentra de forma natural y es por ello que se debe realizar extracciones de otros materiales para finalmente realizar ciertas aleaciones para mejorar aun mas las características iniciales que posee el titanio. También es relevante considerar el procedimiento apropiado según la cantidad que se necesita extraer, ya que los costos producidos en el proceso de obtención son altos producto de los costos de los metales existentes en el proceso. Finalmente con todo esto podemos darnos cuenta que a medida que transcurre el tiempo, la sociedad va evolucionando y generando nuevas necesidades dentro de cada individuo, las cuales día a día se lucha por satisfacerlas y se necesita adecuar ciertas circunstancias para cumplir esto, y es con todo esto que podemos establecer que los a veces tecnológicos desarrollados nos han dado la oportunidad de aprovechar cada una de las características del aluminio para finalmente darle un uso que sea eficiente según lo que podamos necesitar.
BIBLIOGRAFÍA Metales resistentes a la corrosión, Pere Molera Solá. 1990 Procesos industriales para materiales metálicos, julian Rodriguez, lucas Castro, juan carlos del real . 2° edicion
