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“Desarrollo de TiMMCs vía prensado en caliente”
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Capítulo 4
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4.1 Titanio Comercialmente Puro Grado 1
Como ya se ha visto en el Apartado 1.1, existen varios tipos de Ti c.p.. En la presente
investigación se ha utilizado como material el Ti c.p. grado 1.
El Ti c.p. grado 1 es el de más alto grado de pureza comercialmente disponible. Las
propiedades mecánicas del titanio están muy influenciadas por oxígeno, nitrógeno,
hidrógeno y hierro. Aumentan la dureza, resistencia y elasticidad, y reducen la elongación.
Este tipo de titanio se utiliza cuando se requiere máxima aptitud al conformado. El titanio
de grado 1 presenta resistencia a la corrosión, posee buenas propiedades a bajas
temperaturas y, además, puede ser soldado, mecanizado, y trabajado en frío y en caliente
[23].
Tabla 3. Composición en peso (%p) del Ti c.p. grado 1 [23].
Ti N C O Fe H
99,47%p 0,03%p 0,10%p 0,18 %p 0,20%p 0,15%p
Tabla 4. Propiedades del Ti c.p. grado 1 [23].
Propiedad Valor
Densidad (fase alfa a 20ºC) 4,51 g/cm³
Densidad (fase beta a 1625ºC) 4,35 g/cm³
Punto de fusión 1670 +/- 5ºC
Punto de ebullición 3260ºC
Coeficiente de expasión térmica 8,41e-06 ºC
Calor específico (a 20ºC) 523 J/kgºC
Calor latente de fusión 292 kJ/kg
Calor latente de transformación 85 kJ/kg
Calor latente de vaporización 9,83 MJ/kg
Conductividad térmica (a 20ºC) 17 W/mºC
Módulo de Young 100-110 GPa
Módulo de compresibilidad 106-108 GPa
Tracción máxima 240 MPa
Límite elástico 0,2% 170-310 MPa
Dureza Vickers 122
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Aplicaciones del Ti c.p. grado 1 4.1.1
Entre los usos del Ti c.p. grado 1 se encuentran los componentes y equipos de arquitectura,
ingeniería médica, planta automotriz, químico, farmacéutico, cerveza, alimentos, gas de
petróleo, papel de pulpa e industrias marinas.
A continuación se presentan sus principales aplicaciones de forma detallada:
Aeronáutica: Discos de ventilación, álabes y palas de turbinas.
Biomédica: Prótesis articulares, orales y componentes para la fabricación de
válvulas cardíacas y marcapasos, clavos y placas de osteosíntesis para la
recuperación de fracturas óseas.
Industria de proceso: fabricación de bombas, depósitos, reactores químicos y
columnas de fraccionamiento.
- Hélices y eje de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes
de botes salvavidas y plataformas petrolíferas.
- Intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que
utilizan agua de mar como refrigerante.
- Unidades de desulfuración de gases canalizados con el fin de eliminar emisiones
de las centrales térmicas de carbón, y como bombas contenedoras de residuos
radioactivos de baja densidad.
Imagen 9. Prótesis de cadera (izq.) [25]. (c) Prótesis dental (dcha.) [26].
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Imagen 10. Hélice de avión [24].
4.2 Refuerzos
Boruro de titanio (TiB2) y Nano TiB2 4.2.1
El boruro de titanio (también diboruro de titanio; TiB2) es el más estable de los compuestos
de titanio-boro. El TiB2 no se produce de forma natural en la naturaleza. El diboruro de
titanio en polvo se puede preparar por una variedad de métodos de alta temperatura, tales
como las reacciones directas de titanio o sus óxidos/hidruros; con boro elemental a más de
1000ºC; reducción carbotérmica por reacción de óxido de titanio y óxido de boro
hidrógeno; y reducción de haluros de boro en presencia del metal o sus haluros. Existen
diversas rutas de síntesis, reacciones de síntesis y de sólido electroquímicas para preparar
más fino diboruro de titanio en gran cantidad. Un ejemplo de reacción en estado sólido es la
reducción que se puede ilustrar mediante la siguiente reacción [27]:
2 TiO2 + B4C TiB2 + 4 CO
Estas rutas de síntesis, sin embargo, no pueden producir polvos nanométricos. TiB2
nanocristalinos se sintetizó usando las siguientes técnicas:
Reacción en fase solución de NaBH4 y TiCl4.
Aleación mecánica de una mezcla de polvos elementales de Ti y B.
Proceso de síntesis de alta temperatura, auto-propagación que implica la adición de
cantidades variables de NaCl.
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Reacción solvotermal en benceno de sodio metálico con polvo de boro amorfo y
TiCl4 a 400ºC:
TiCl4 + 2 B + 4 Na TiB2 + 4 NaCl
Al igual que con otros materiales unidos en gran medida por enlaces covalentes, el boruro
de titanio es resistente a la sinterización y por lo general se densifica mediante prensado
isostático en caliente o prensado uniaxial en caliente. La sinterización sin presión de TiB2
puede alcanzar altas densidades, pero se requieren ayudantes de sinterización formadores
de líquido, tales como hierro, cromo o carbono [8].
Imagen 10. Estructura cristalina tipo AB2 del TiB2 [28].
El diboruro de titanio es resistente a la oxidación en aire hasta 1000ºC. También es
resistente a HCl y HF, pero reacciona con H2SO4 y HNO3. Es fácilmente atacado por los
álcalis.
El prensado en caliente de TiB2 (con pequeñas adiciones de carburo metálico, por ejemplo)
se lleva a cabo a 1800-1900°C y alcanza una densidad cercana a la teórica. La sinterización
sin presión requiere niveles más altos de ayudantes de sinterización y las temperaturas de
más de 2000°C.
Tabla 5. Composición en porcentaje en peso (%p) del TiB2 [29].
Ti B C O Fe
<67,5 >30,50 <1,5 <1 <0,2
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Tabla 6. Propiedades del TiB2 [29].
4.2.1.1 Aplicaciones del TiB2
Debido a su alta dureza, punto de fusión extremo y la inercia química, el boruro de titanio
es un buen candidato para una serie de aplicaciones.
Muchas aplicaciones de TiB2 son inhibidas por los factores económicos, en particular los
costes de densificación de un material de alto punto de fusión: el punto de fusión es de
aproximadamente 2970ºC y, gracias a una capa de dióxido de titanio que se forma en la
superficie de las partículas de un polvo, es muy resistente a la sinterización. La mezcla con
alrededor de 10% de nitruro de silicio facilita la sinterización, aunque la sinterización sin
nitruro de silicio se ha demostrado también.
La combinación de alta dureza y resistencia moderada lo hacen atractivo para la armadura
balística, pero su densidad relativamente alta y dificultad en la formación de algunos
componentes lo hacen menos atractivo para este propósito que algunas cerámicas.
La inercia química y una buena conductividad eléctrica le han llevado a su uso como
cátodos en células de Hall-Heroult para la fundición de aluminio primario. También
encuentra uso como crisoles para la manipulación de metales fundidos y como barcos de
evaporación de metal.
La alta dureza, la resistencia moderada y la buena resistencia al desgaste hacen al diboruro
de titanio un candidato para su uso en piezas de desgaste y en materiales compuestos con
otros materiales y herramientas de corte.
Propiedad Valor
Densidad 4520 kg/m³
Punto de fusión 2970 ºC
Módulo de ruptura 410-448 MPa
Dureza (Knoop) 1800
Módulo elástico 510-575 MPa
Coeficiente de Poisson 0,1-0,15
Resistividad volumétrica (a 20ºC) 1,50E-05
Conductividad térmica 25 W/m.K
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En combinación con otras cerámicas de óxido, el TiB2 se utiliza para constituir materiales
compuestos en los que la presencia del material sirve para aumentar la resistencia y la
tenacidad a la fractura de la matriz metálica.
Boro Amorfo 4.2.2
El boro (B) es un elemento químico metaloide y semiconductor. Es abundante en
minerales. Tiene la más alta resistencia a la tracción de los elementos químicos conocidos.
Algunas de sus propiedades se recogen en la Tabla 7.
Tabla 7. Propiedades del boro [29].
4.2.2.1 Aplicaciones del boro
Las principales aplicaciones se recogen en los siguientes puntos:
El boro elemental se emplea en la industria metalúrgica, pues su gran reactividad a
temperaturas altas lo hace útil como desgasificante.
Para refinar el aluminio y facilitar el tratamiento térmico en el hierro,
incrementando así la resistencia a alta temperatura.
Las propiedades físicas como su baja densidad, extrema dureza, alto punto de
fusión,..etc.; lo hacen atractivo en la construcción de misiles y cohetes.
Si se utilizan fibras de boro como material portador, la composición será más fuerte
y rígida que el acero y 25% más ligera que el aluminio.
El bórax refinado (Na2B4O7-10H2O) es un ingrediente en variedades de detergentes,
jabones, adhesivos, cosméticos…etc. También se emplea en la fabricación de fibra
de vidrio y perborato de sodio (aislantes).
Propiedad Valor
Número atómico 5
Peso molecular 10,811 g/mol
Densidad 2340 kg/m³
Punto de fusión 2079 ºC
Punto de ebullición 2550 ºC
Calor específico (a 25 ºC) 309 cal/gºC
Dureza (Mohs, 20ºC) 9,3
Banda de energía 1,50-1,56 eV
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Se utiliza también en retardantes a la llama, desinfectantes de frutas y madera,
control de hierbas e insecticidas, así como en manufactura de papel, cuero y
plásticos.
Es usado como semiconductor.
El boro amorfo se usa en fuegos artificiales por su color verde.
Se usa en control de los reactores nucleares, como escudo frente a las radiaciones y
en la detención de neutrones.
Carburo de boro (B4C) y Nano B4C 4.2.3
El carburo de boro (B4C) es uno de los materiales conocidos más duros, ocupando el tercer
lugar detrás de diamante y nitruro de boro cúbico. Es el material más duro producido en
grandes cantidades. Se descubre a mediados del siglo XIX como un subproducto en la
producción de boruros de metal. Se empieza a estudiar en detalle a partir de 1930.
Imagen 11. Polvos de carburo de boro [30].
El polvo de carburo de boro se produce principalmente mediante la reacción de carbono
con B2O3 en un horno de arco eléctrico, a través de la reducción carbotérmica o por
reacciones en fase gaseosa. Para el uso comercial, los polvos de B4C tienen que ser molidos
y purificados para eliminar las impurezas metálicas.
Es difícil al sinterizar conseguir una elevada densidad relativa con HIP o prensado en
caliente. Se requiere lograr una densidad teórica mayor del 95 %. Incluso en el uso de estas
técnicas, con el fin de lograr la sinterización a temperaturas realistas (por ejemplo, 1900 a
2200°C), por lo general se requieren pequeñas cantidades de agentes de dopado tales como
carbono fino, o carburo de silicio.
El carburo de boro se caracteriza por:
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Elevada dureza.
Difícil de sinterizar a altas densidades relativas sin el uso de ayudantes de
sinterización.
Buena resistencia química.
Buenas propiedades nucleares.
Baja densidad.
Tabla 8. Propiedades del B4C [29].
Propiedad Valor mínimo (S.I) Valor máximo (S.I) Unidades (S.I)
Volumen atómico medio 0,0043 0,0045 m³/kmol
Densidad 2300 2550 kg/m³
Energía 200 300 MJ/kg
Módulo de compresibilidad 218 271 GPa
Resistencia a la compresión 2583 5687 MPa
Ductilidad 0,00058 0,00124
Límite elástico 261 569 MPa
Límite de resistencia 222 512 MPa
Tenacidad de fractura 2,5 5 MPa.m½
Dureza 38100 44100 MPa
Coeficiente de pérdidas 1,00E-05 3,00E-05
Módulo de ruptura 310 680 MPa
Coeficiente de Poisson 0,18 0,21
Módulo de cizallamiento 180 195 GPa
Resistencia a la tracción 261 569 MPa
Módulo de Young 362 472 GPa
Calor latente de fusión 1350 2030 KJ/kg
Temperatura máxima de servicio 1000 2000 K
Punto de fusión 2645 2780 K
Calor específico 840 1288 J/kg.K
Conductividad térmica 17 42 W/m.K
Expansión térmica 3,2 9,4 10E-06/K
Potencial de ruptura 5 10 MV/m
Constante dieléctrica 4,8 8
Resistividad 100000 1,00E+08 10E-8 Ω.m
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4.2.3.1 Aplicaciones del B4C
El carburo de boro es un material muy prometedor para una variedad de aplicaciones que
requieren un alto nivel de dureza, buena resistencia al desgaste y a la corrosión, alto punto
de fusión, buena inercia química, elevada sección eficaz de absorción de neutrones térmicos
y de alta conductividad.
Debido a su alta dureza, el polvo de carburo de boro se utiliza como un abrasivo en el
pulido y también como un abrasivo suelto en aplicaciones tales como corte por chorro de
agua. También se puede utilizar para herramientas de recubrimiento de diamante.
La extrema dureza del carburo de boro da excelente resistencia al desgaste y resistencia a la
abrasión y, como consecuencia se usa como boquillas para suspensión de bombeo, chorro
de arena y en cortadores de chorro de agua.
Su capacidad para absorber neutrones y sin la formación de los radionúclidos de larga vida
hacen que el material sea atractivo como un absorbente para la radiación de neutrones que
surja en las plantas de energía nuclear. Las aplicaciones nucleares de carburo de boro se
incluyen blindaje, varilla de control y la primera pared.
El carburo de boro, en conjunción con otros materiales también encuentra uso como
armadura balística (incluyendo el cuerpo o armadura personal) donde la combinación de
alta dureza, alto módulo elástico, y de baja densidad da al material una excepcional alta
potencia de frenado específica para derrotar a proyectiles de alta velocidad.
Otras aplicaciones incluyen matrices cerámicas, herramientas, piezas de peaje de precisión,
botes de evaporación para ensayo de materiales, morteros y las majas.
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