- 30 de Septiembre de 2022
El titanio es un metal con una demanda cada vez mayor. Esto se debe a su excelente resistencia a la corrosión y a su amplia gama de propiedades mecánicas deseables. Para aprovechar sus cualidades únicas, los fabricantes añaden pequeñas cantidades de otros elementos al titanio puro para modificar sus propiedades físicas.
Como resultado, existen numerosos tipos de aleaciones de titanio, ya que ofrecen diferentes propiedades y costos. En este artículo, analizamos las diferentes clasificaciones de las aleaciones de titanio y las aplicaciones de cada una.
Clasificación de las aleaciones de titanio según su estructura
La microestructura es un método utilizado para clasificar las aleaciones de titanio. La estructura de estos tipos de aleaciones de titanio depende de su composición y del proceso de fabricación.
Aleaciones alfa
Las aleaciones alfa son aleaciones de titanio que se alean exclusivamente con oxígeno. Si bien otros componentes, como el carbono y el hierro, se encuentran en pequeñas cantidades, solo existen como impurezas. Como elemento de aleación intersticial, el oxígeno aumenta significativamente la resistencia, a la vez que reduce la ductilidad. Las industrias química y de ingeniería son las principales usuarias de aleaciones alfa.
En este caso, la excelente resistencia a la corrosión y la deformabilidad son más importantes que una alta resistencia específica. La principal diferencia entre los grados de titanio comercialmente puros (cp) reside en su concentración de oxígeno.
Aleaciones cercanas a la alfa
Las aleaciones de titanio casi alfa son las más comunes para altas temperaturas. Esta clase de aleación es adecuada para altas temperaturas porque combina el excelente comportamiento de fluencia de las aleaciones alfa con la alta resistencia de las aleaciones alfa + beta. Sin embargo, su temperatura máxima de trabajo está actualmente limitada a 500-550 °C.
Aleaciones beta y casi beta
Las aleaciones beta son otro tipo de material de titanio. Los fabricantes crean todas las aleaciones de titanio añadiendo suficientes elementos betaestabilizadores al titanio. Estos materiales han estado disponibles durante muchos años, pero solo recientemente han ganado popularidad. Son más fáciles de trabajar en frío que las aleaciones alfa-beta, se pueden tratar térmicamente para alcanzar altas resistencias y, en algunos casos, presentan una mejor resistencia a la corrosión que los grados comerciales puros.
Aleaciones Alfa y Beta
Se trata de materiales de resistencia media a alta, con resistencias a la tracción de entre 620 y 1250 MPa y resistencia a la fluencia de entre 350 y 400 °C. Además de sus propiedades de tracción, también presentan características de fatiga de ciclo bajo y alto, así como de tenacidad a la fractura.
Como resultado, se desarrollaron procedimientos de tratamiento térmico y termomecánico para garantizar que las aleaciones proporcionaran un equilibrio óptimo de propiedades mecánicas para diversas aplicaciones.
Clasificación de las aleaciones de titanio según su resistencia
Al diseñar una pieza o producto, es importante conocer las características de resistencia del material para su diseño y selección. Existen diferentes tipos de aleaciones de titanio, por lo que es fundamental comprender todas estas propiedades para utilizarlas eficazmente.
Resistencia baja
Se trata de aleaciones de titanio con un límite elástico inferior a 73 kSI (500 MPa). Son ideales para aplicaciones que requieren materiales de resistencia moderada. Algunos ejemplos son los grados ASTM 1,2,3,7, 11, XNUMX, XNUMX y XNUMX.
Fuerza moderada
Se trata de aleaciones de titanio con un límite elástico de entre 73 y 131 kSI (500 y 900 MPa). Se fabrican en grados ASTM 4,5, 9 y 2.5, Ti-8 % Cu, Ti-1 % Al-0.1 % Mo-XNUMX % V.
Fuerza media
Se trata de aleaciones de titanio con un límite elástico de entre 131 y 145 KSI (900-1000 MPa). Son ideales en aplicaciones críticas que requieren alta resistencia, buena resistencia a la corrosión y tenacidad a la entalla a temperaturas elevadas. Algunos ejemplos incluyen Ti-6 % Al-2 % Sn-4 % Zr-2 % Mo y Ti-5.5 % Al-3.5 % Sn-3 % Zr-1 % Nb-0.3 % Mo-0.3 % Si.
Alta Resistencia
Las aleaciones de titanio de alta resistencia presentan resistencias a la tracción de entre 145 y 174 kSI (1000-1200 MPa). Son resistentes a la fatiga, la fluencia y la corrosión, lo que las hace idóneas para aplicaciones exigentes como piezas de aeronaves e implantes médicos.
Muy alta resistencia
Las aleaciones de muy alta resistencia tienen resistencias a la tracción superiores a 174 kSI (1200 MPa). Este tipo de material es costoso, pero ofrece un rendimiento excepcional en aplicaciones exigentes como motores a reacción, motores de cohetes, naves espaciales y reactores nucleares. Algunos ejemplos son Ti-10 % V-2 % Fe-3 % Al y Ti-4 % Al-4 % Mo-4 % Sn-0.5 % Si.
Grados de aleaciones de titanio con propiedades y aplicaciones
Las aleaciones de titanio están disponibles en una amplia gama de grados, cada uno con sus propiedades específicas. A continuación, se presentan algunos de los más comunes. grados de aleación de titanio.
Aleación de titanio de grado 5.
El grado 5 es la aleación de titanio más común debido a su alta resistencia. Es una aleación de soldadura común que puede funcionar en componentes estructurales y sometidos a presión. Presenta una alta resistencia a la corrosión tanto en entornos oxidantes como reductores.
Además, también se utiliza en las industrias química y petrolera, así como en la fabricación de plataformas de perforación marina. Esta aleación se utiliza en la construcción de plantas de tratamiento de agua, reactores nucleares y otros entornos críticos que requieren un material de alta resistencia y bajo costo.
Aleación de titanio de grado 6.
El grado 6 es una aleación de titanio comúnmente soldada que contiene aluminio y estaño, y que suele emplearse en componentes expuestos a temperaturas elevadas. Además de su alta resistencia, esta aleación posee una excelente estabilidad, lo que la convierte en una excelente opción para fuselajes y motores a reacción.
Aleación de titanio de grado 7.
La aleación de titanio de grado 7 es especialmente útil para aplicaciones de baja temperatura y pH. Esto se debe a su extrema resistencia a la corrosión.
Aleación de titanio de grado 11.
El grado 11 es una aleación de titanio con buena resistencia a altas temperaturas y alta resistencia a la corrosión. Esta aleación se utiliza como materia prima para componentes que operan a altas temperaturas, como equipos de procesamiento químico y petrolero, y para la fabricación de motores y fuselajes de aeronaves. El grado 11 también se utiliza para fabricar turbinas, tanques de almacenamiento de hidrógeno líquido y otros equipos críticos. Esta aleación se fabrica fácilmente mediante mecanizado, forjado, laminado y extrusión.
Aleación de titanio de grado 12.
Se aplica a la fabricación de componentes aeronáuticos, como piezas de motores, fuselajes, trenes de aterrizaje, sistemas de combustible y otros equipos críticos. La aleación también se utiliza para fabricar recipientes criogénicos, intercambiadores de calor, columnas de destilación y otros equipos que operan a altas temperaturas.
Además, el grado 12 se fabrica fácilmente mediante mecanizado, forjado, laminado y extrusión. Por lo tanto, es ideal para la fabricación de válvulas, accesorios y otros equipos que requieren materiales resistentes a la corrosión.
Aleación de titanio de grado 23.
El grado 23 es una aleación de titanio con buena ductilidad y tenacidad a la fractura. Se utiliza principalmente en la fabricación de implantes médicos.
¿Por qué es difícil mecanizar aleaciones de titanio?
Las aleaciones de titanio son difíciles de mecanizar debido a su dureza y bajo coeficiente de fricción. La dureza del titanio se debe a su alta resistencia y densidad, lo que dificulta su corte y modelado. Su alta resistencia también implica que el material es menos maleable y propenso a agrietarse, lo cual puede ocurrir durante el mecanizado, el tratamiento térmico o la soldadura.
El bajo coeficiente de fricción puede causar problemas al cortar o fresar titanio con materiales de herramientas convencionales. Las virutas de titanio dificultan fácilmente que la herramienta retire material de la pieza. Además, las virutas tienden a adherirse a la superficie del diente de la herramienta debido a la falta de lubricación entre estos y la herramienta. Esto provoca la acumulación de viruta en la cara de la herramienta a altas velocidades de avance, lo que resulta en un rendimiento deficiente. acabados superficiales, reducción de la vida útil de la herramienta y vibración excesiva durante el mecanizado.
Otra dificultad con mecanizado de aleaciones de titanio Su baja conductividad térmica impide que se enfríen con la suficiente rapidez al mecanizar con fluidos de corte o sistemas de refrigeración por agua. Esto provoca que el material de la pieza se ablande y reduce la vida útil de la herramienta debido a vibraciones o roturas.
Consejos sobre cómo mecanizar aleaciones de titanio de manera eficaz
Dadas las propiedades especiales de las aleaciones de titanio, mecanizar estos metales puede ser un poco complicado. Para mecanizar estos componentes eficazmente, es fundamental conocer las herramientas y técnicas adecuadas. Hemos recopilado una lista de consejos útiles para mecanizar aleaciones de titanio eficazmente.
Utilice las herramientas y el equipo adecuados
Ante todo, debe asegurarse de utilizar las herramientas y el equipo adecuados para el trabajo. Puede parecer obvio, pero es un paso crucial en cualquier proceso de mecanizado. Las aleaciones de titanio son más difíciles de mecanizar debido a su mayor dureza. Utilice siempre herramientas de acero de alta velocidad y brocas con punta de carburo al cortar titanio. Las herramientas de acero se desafilan rápidamente al utilizarlas en este material, mientras que las puntas de carburo cortan con precisión y duran más.
Transmitir el calor generado al chip
Un aspecto importante del mecanizado eficiente del titanio es la transmisión del calor generado a la viruta. Esto ayuda a mantener la pieza, la herramienta y el refrigerante a una temperatura relativamente constante. La forma más eficaz de lograrlo es utilizar una máquina de husillo horizontal para el mecanizado de titanio.
Otra medida que se puede tomar para transmitir el calor generado a la viruta es aumentar la velocidad de avance de la pieza. Una mayor velocidad de avance puede ayudar a mantener la temperatura constante durante el proceso de mecanizado. Esto puede ser especialmente útil al mecanizar piezas con características de gran tamaño.
Aumente la concentración y la presión del refrigerante
Como se mencionó, las aleaciones de titanio tienen una mayor conductividad térmica que otros metales. Por lo tanto, se recomienda aumentar la concentración y la presión del refrigerante al mecanizar estos materiales. Aumentar la concentración del refrigerante puede ayudar a reducir el calor que se acumula en la máquina. También ayuda a mantener la pieza y la herramienta a una temperatura relativamente constante, lo que permite aumentar la velocidad de avance de la pieza.
Si utiliza un refrigerante a base de agua, puede aumentar su concentración añadiendo un antiespumante. Una buena opción son las sales de sodio, que ayudan a aumentar el punto de ebullición y la viscosidad del agua.
Evite irritarse
Las aleaciones de titanio suelen tener menor lubricidad que otros metales. Esto significa que son más propensas a la corrosión por aglutinación durante el mecanizado. La corrosión por aglutinación es un fenómeno que ocurre cuando dos piezas metálicas opuestas entran en contacto y una queda atrapada entre ellas. La corrosión por aglutinación puede dificultar considerablemente el proceso de mecanizado y reducir significativamente la vida útil de la herramienta.
Puede ayudar a evitar el gripado al mecanizar aleaciones de titanio utilizando una velocidad de avance menor y una velocidad de husillo más baja. Además, si ya experimenta gripado, a menudo puede solucionar el problema aumentando la concentración de refrigerante. Esto puede ayudar a eliminar el gripado existente y permitirle continuar con el proceso de mecanizado.
Aplicaciones de las aleaciones de titanio
Industria aeroespacial
Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial debido a su alta relación resistencia-peso. Se emplean para fabricar sujetadores aeroespaciales, estructuras de aeronaves, conjuntos de trenes de aterrizaje y motores a reacción, ya que soportan temperaturas extremas sin corroerse ni agrietarse bajo presión.
Industria médica
Las aleaciones de titanio se utilizan en dispositivos médicos como prótesis articulares y prótesis de cadera por su biocompatibilidad y resistencia a la corrosión. El metal se puede mecanizar en formas complejas sin fracturarse ni agrietarse, lo que lo hace ideal para instrumentos quirúrgicos como bisturíes o fórceps. También se utiliza en implantes dentales porque no irrita los tejidos blandos como el acero inoxidable al implantarse en la cavidad bucal.
Industria electrónica
Las aleaciones de titanio tienen múltiples usos en electrónica gracias a su alta conductividad y resistencia a la corrosión de la mayoría de los ácidos y álcalis. Esto las hace ideales para su uso como conectores en baterías u otros componentes eléctricos que requieren contacto eléctrico entre sí, pero que no deben corroerse con el tiempo por la exposición a sustancias corrosivas como el agua salada.
Conclusión
Entonces, ¿qué aleaciones de titanio tienen las mejores propiedades para su aplicación? Es difícil decirlo. Depende de sus requisitos y del uso que le dé a la aleación. Por ejemplo, si está creando gafas, sería mejor usar titanio más puro, ya que esa aplicación específica no requiere la resistencia de una aleación.
Pero podríamos llevar esta discusión en un millón de direcciones diferentes, por lo que puedes consultar a un experto para determinar qué tipo de aleación de titanio es mejor para tu proyecto.
WayKen le ayuda a elegir las aleaciones de titanio adecuadas para sus proyectos
Como taller de mecanizado con certificación ISO, nuestros ingenieros experimentados le recomendarán el material de titanio más adecuado para su aplicación específica. A través de nuestro servicios de mecanizado de precisiónEn WayKen, puede estar seguro de obtener piezas de titanio de alta calidad. Además, ofrecemos una inspección completa de las piezas para garantizar que cada una cumpla con los requisitos.
Solo subir archivos CAD ¡Hoy mismo recibirás una cotización rápida y comentarios gratuitos de DFM!
