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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
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NATALIA PATRICIA INZUNZA MUÑOZ
14 de Noviembre, 2011
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OBJETIVO GENERAL
Presentar las principales aplicaciones del titanio en el mundo actual
OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Describir las características del titanio.
- Comprender el proceso de los métodos de obtención de este metal y sus
aleaciones
- Indicar aplicaciones y usos dentro de la vida cotidiana.
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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 configuraciónelectrónica 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.
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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.
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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 TiCl4 con magnesio en una atmósfera inerte, con la reacción:
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
4 - El titanio forma una esponja en la pared del reactor, la cual se purifica por lixiviación con ácido clorhídrico diluido. El MgCl2 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 deutilizarlos, 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.
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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.
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Elemento (%)
Ti(yodo
)
Ti(Kroll
)
Mg 0,01 0,13
Si 0,01 0,05Al 0,02 -
Fe 0,01 0,2
Ni 0,01 -
Co - 0,02
Cr 0,01 -
Mn 0,005 0,02
C 0,01 0,08
N 0,02 0,04
O 0,02 0,11
(%) totalimpurezas 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.
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• 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.
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
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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.
Aleaciones beta (β):
Las aleaciones beta se caracterizan por poseer una densidad superior (4,8 g/cm3)
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 ypara componentes aeroespaciales.
Tubos de escape de titanio
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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 puedeincrementar 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.
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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 cadauna 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.
• 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.
• 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.
• 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.
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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 queantiguamente 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 senecesita 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 loque podamos necesitar.
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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