Características técnicas del titanio entre diferentes grados: 
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Propiedades físicas básicas
Características físicas notables del titanio:
- Su densidad es aproximadamente el 60% de la del acero.
- Su resistencia a la corrosión es excepcional en muchos entornos como el agua de mar o el cuerpo humano.
- Sus características mecánicas se mantienen elevadas hasta una temperatura de aproximadamente 600°C y se mantienen excelentes hasta temperaturas criogénicas.
- Su transformación en productos semiacabados y piezas de diferentes formas mediante las técnicas habituales (taladrado, estampación, hilado, fundición, soldadura, mecanizado, etc.) es razonablemente fácil.
- Está disponible en una amplia variedad de formas y tipos de productos: lingotes, palanquillas, barras , alambres, tubos , losas, láminas , tiras .
- No es magnetizable.
- Su coeficiente de expansión térmica, ligeramente inferior al del acero, es la mitad del del aluminio. Se tomará como estándar un coeficiente de expansión térmica promedio de 10,5 × 10⁻⁶ K⁻¹. Su módulo de Young es muy similar al de las estructuras óseas.
Propiedades cristalográficas
El titanio puro sufre una transformación alotrópica de tipo martensítico en las proximidades de los 882 °C.
Por debajo de esta temperatura, la estructura es pseudo-compacta hexagonal (a = 0,295 nm; c = 0,468 nm: c/a = 1,633) y se denomina Ti α (grupo espacial 194 / P63/mmc).
Por encima de esta temperatura la estructura es cúbica centrada en el cuerpo (a=0,332 nm) y se denomina Ti β.
La temperatura de transición α→β se denomina transus β.
La temperatura exacta de transformación depende en gran medida de los elementos sustitucionales e intersticiales. Por lo tanto, depende en gran medida de la pureza del metal. Estructura cristalográfica de las celdas unitarias α y β del titanio.
Isótopos
El titanio se encuentra en la naturaleza en forma de cinco isótopos: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti y 50Ti. El 48Ti es el isótopo más abundante, con una concentración natural del 73,8 %. Se han observado once radioisótopos; el más estable, el 44Ti, tiene una vida media de 63 años.
La actividad fotocatalítica del TiO₂ se ve fuertemente afectada por su cristalinidad y tamaño de partícula (Pecchi et al., 2001).
La modificación por anatasa solo es suficientemente activa en fotocatálisis con una energía de espacio de banda Ebg de 3,2 eV.
El TiO₂ Hombikat UV-100 está compuesto de anatasa modificada pura, y sus partículas tienen una superficie PARI de aproximadamente 186 m²/g (aplicando la teoría de adsorción de gases de Brunauer-Emmett-Teller para determinar la isoterma de adsorción).
Sin embargo, la mayoría de las investigaciones se realizaron con TiO₂ Degussa P-25. Este material está compuesto aproximadamente por un 80 % de anatasa y un 20 % de rutilo, y tiene una superficie específica BET de aproximadamente 55 m²/g.
El diámetro de sus partículas suele estar entre 25 nm y 35 nm.
Óxidos
Monóxido de titanio (TiO₂) Trióxido de titanio (Ti₂O₃) Dióxido de titanio (TiO₂) Trióxido de titanio (TiO₃)
Propiedades mecánicas
Erosión
La capa de óxido, altamente adherente y dura, explica la longevidad de las piezas de titanio sometidas a impactos de partículas suspendidas en fluidos. Este efecto se ve amplificado por la capacidad de regeneración de la capa. La erosión en agua de mar se ve incrementada por caudales más altos o tamaños de partícula más pequeños.
Resistencia y ductilidad
El titanio se considera un metal con alta resistencia mecánica y buena ductilidad en condiciones de temperatura estándar. Su resistencia específica (relación resistencia a la tracción/densidad) supera a la del aluminio y el acero.
Su resistencia es inversamente proporcional a la temperatura, con un punto de estabilización entre -25 °C y 400 °C.
Por debajo de -50 °C, en rangos de temperatura criogénica, el aumento de la resistencia es drástico; sin embargo, esto se acompaña de una ductilidad muy baja.
Por encima de 400 °C, la resistencia mecánica comienza a disminuir.
Sin ninguna base teórica, la resistencia a la fatiga es aproximadamente el 70% de la resistencia a la tracción.
Desgaste
Hasta la fecha, no se ha desarrollado una solución satisfactoria. La oxidación, la nitruración, la boruración y la carburación han sido los principales métodos probados. Se han encontrado numerosas dificultades tecnológicas en la implementación y la adhesión. Además, los tratamientos superficiales del titanio, que modifican la naturaleza o la estructura de la superficie, solo deben utilizarse con la máxima precaución y tras un estudio exhaustivo de sus efectos; generalmente tienen un efecto perjudicial más o menos pronunciado sobre la resistencia mecánica y la resistencia a la fatiga.
Biocompatibilidad
El titanio es uno de los metales más biocompatibles, junto con el oro y el platino, lo que significa que es completamente resistente a los fluidos corporales. Además, posee una alta resistencia mecánica y un módulo de elasticidad muy bajo, lo que lo hace compatible con las estructuras óseas. El Centro Internacional de Investigaciones sobre el Cáncer (CIIC) ha clasificado el dióxido de titanio en el Grupo 2B, «posiblemente cancerígeno para los seres humanos». Los estudios realizados aún no han llegado a una conclusión definitiva.
Resistencia al fuego
Su resistencia al fuego, especialmente a los hidrocarburos, es excelente. Se ha demostrado que un tubo de 2 mm de espesor puede soportar una presión de diez atmósferas al ser sometido a un incendio de hidrocarburos a una temperatura de 600 °C sin sufrir daños, deformaciones ni explosiones. Esto se debe principalmente a la resistencia de la capa de óxido, que impide la penetración del hidrógeno en el material. Además, la baja conductividad térmica del titanio proporciona una protección más duradera a los componentes internos contra el aumento de temperatura.
Propiedades químicas
Corrosión clásica del titanio
El titanio es un metal extremadamente oxidable. En la serie de potenciales electroquímicos estándar, se encuentra cerca del aluminio, entre el magnesio y el zinc. Por lo tanto, no es un metal noble; su rango de estabilidad termodinámica no comparte, de hecho, ninguna parte con el rango de estabilidad termodinámica del agua, y se sitúa muy por debajo de este. Una de las razones de la resistencia a la corrosión del titanio es el desarrollo de una capa protectora y pasivante de unas pocas fracciones de micrómetro de espesor, compuesta principalmente de óxido de TiO₂, aunque se reconoce que puede contener otras formas de titanio. Esta capa está intacta y muy adherente. Si se raya la superficie, el óxido se reforma espontáneamente en presencia de aire o agua. Por lo tanto, el titanio es prácticamente inmune al aire, el agua y el agua de mar.
Además, esta capa es estable en un amplio rango de pH, potencial y temperatura. Las condiciones altamente reductoras, los entornos altamente oxidantes o la presencia de iones flúor (un agente complejante) disminuyen la naturaleza protectora de esta capa de óxido; los reactivos de grabado utilizados para registrar micrografías suelen estar basados en ácido fluorhídrico. Durante una reacción con este ácido, se forman cationes titanio(II) y(III). No obstante, la reactividad de las soluciones ácidas puede reducirse mediante la adición de agentes oxidantes o iones de metales pesados. El ácido crómico o nítrico y las sales de hierro, níquel, cobre o cromo son excelentes inhibidores.
Esto explica por qué el titanio puede utilizarse en procesos industriales y entornos donde los materiales convencionales se corroerían. Los equilibrios electroquímicos pueden, por supuesto, modificarse añadiendo elementos de aleación que reducen la actividad anódica del titanio; esto conduce a una mejor resistencia a la corrosión.
Dependiendo de las modificaciones deseadas, se añaden elementos específicos. A continuación, se presenta una lista no exhaustiva de algunos aditivos comunes: modificar el potencial de corrosión y mejorar las propiedades del cátodo: añadir platino, paladio o rodio; aumentar la estabilidad termodinámica y reducir la propensión a la disolución anódica: añadir níquel, molibdeno o tungsteno; aumentar la tendencia a la pasivación: añadir circonio, tántalo, cromo o molibdeno. Estos tres métodos pueden combinarse.
Corrosión específica del titanio
El titanio es muy resistente a tipos específicos de corrosión, como la corrosión por picaduras o la corrosión por grietas. Estos fenómenos solo se observan en entornos cercanos a los límites prácticos de la resistencia general a la corrosión. La corrosión bajo tensión se produce en las siguientes condiciones: en agua de mar fría (solo en presencia de cortes agudos); en ciertos medios específicos, como el metanol anhidro; y en entornos cálidos, en presencia de NaCl fundido. Las dos estructuras alotrópicas difieren en su resistencia a este último tipo de corrosión; el α-titanio es muy susceptible, mientras que el β-titanio prácticamente no se ve afectado.
El proceso Kroll y la producción de titanio de alta pureza
El proceso Kroll
El primer paso consiste en la carbocloración del dióxido de titanio. El producto se obtiene mediante la reacción del cloro gaseoso con el óxido a aproximadamente 800 °C en un lecho fluidizado, según la reacción: TiO₂(s) + 2 C(s) + 2 Cl₂(g) → TiCl₃(g) + 2 CO₂(g). El tetracloruro de titanio, que tiene un punto de ebullición de 136 °C, se recupera por condensación, se decanta, se filtra y se purifica por destilación fraccionada. El proceso de reducción posterior consiste en la reacción de este tetracloruro en fase gaseosa con magnesio líquido, según la reacción: TiCl₃(g) + 2 Mg₃(l) → 2MgCl₂(l) + Ti₃(s). La reacción se lleva a cabo al vacío o con gas inerte (argón). El cloruro de magnesio se separa por decantación y, en un segundo paso, por destilación al vacío a aproximadamente 900-950 °C, o por lavado ácido. El titanio resultante es un sólido poroso similar a una esponja, de ahí su nombre de esponja de titanio. Desde su aplicación industrial inicial en 1945, el proceso Kroll no ha experimentado cambios significativos en su principio fisicoquímico, salvo en el rendimiento de la reacción.
Producción de titanio de alta pureza
Una vez obtenida la esponja, se muele para producir virutas de titanio. Esta mezcla se homogeneiza en un mezclador, ya sea bajo gas inerte o succión a alta presión, para evitar la ignición de las partículas finas de titanio (de aproximadamente cien micrómetros), lo que podría dar lugar a la formación de oxinitruro de titanio, un compuesto frágil e insoluble en el baño líquido. La mezcla homogeneizada se introduce en la matriz de una prensa, donde se comprime en frío formando un cilindro denso llamado compacto. La densidad relativa del compacto permite su manipulación para crear un electrodo apilando estos compactos, capa por capa, y soldándolos mediante plasma o haz de electrones. Esto produce un electrodo primario. Posteriormente, los electrodos de titanio se fusionan mediante refusión por arco al vacío (VAR). Este proceso implica la creación de un arco eléctrico de bajo voltaje y alta corriente (30 a 40 V; 20 000 a 40 000 A) entre la base del electrodo de titanio y un crisol de cobre refrigerado por agua. La parte inferior del electrodo se calienta y su temperatura supera el límite del líquido; el metal fundido cae entonces en un pozo líquido contenido dentro de una vaina metálica conocida como la piel del lingote. El lingote se vuelve a fundir varias veces de esta manera, según la pureza deseada. Con cada fusión, aumenta el diámetro de los lingotes; estos suelen pesar entre 1 y 10 toneladas y tienen un diámetro de entre 0,5 y 1 metro.
Compuestos
Aunque el titanio metálico es bastante escaso debido a su precio, el dióxido de titanio es económico y se utiliza ampliamente como pigmento blanco en pinturas y plásticos. El polvo de TiO₂ es químicamente inerte, resistente a la luz solar y muy opaco. El dióxido de titanio puro tiene un índice de refracción muy alto y una mayor dispersión óptica que el diamante.
Precauciones, toxicología
En su forma metálica dividida, el titanio es altamente inflamable, pero las sales de titanio generalmente se consideran seguras. Los compuestos clorados, como el TiCl₄ y el TiCl₃, son corrosivos. El titanio puede acumularse en tejidos vivos que contienen silicio, pero no tiene ninguna función biológica conocida.
Conclusión
El titanio posee una gama extremadamente diversa de propiedades. No solo es resistente a la corrosión, a menudo combinada con resistencia a la erosión y al fuego, y biocompatibilidad, sino que también posee excelentes propiedades mecánicas (resistencia, ductilidad, resistencia a la fatiga, etc.) que permiten el diseño de componentes más delgados y ligeros. Este atractivo conjunto de propiedades explica sus crecientes aplicaciones en los sectores aeronáutico, aeroespacial, químico y médico. Además, gracias a una mayor eficiencia de producción, el titanio se utiliza cada vez más en aplicaciones cotidianas como la industria de artículos deportivos y la automotriz.