02_Capitolul 2.pdf

8/15/2019 02_Capitolul 2.pdf

1/20

23

II.TITANUL ȘI APLICAȚIILE SALE

2.1. INTRODUCERE

Titanul (simbol: Ti) ocupă poziția 22 î n Sistemul Periodic al Elementelor, fiindsituat în grupa a IV-a secundară [9], este cel mai răspândit metal în natura î n scoarțaPământului, exprimat î n procente masice, este de aproximativ 0,86% [13 ]; iar în scoarțaterestră, este 0,63%, ocupând locul 7, după Al (8,8%), Fe (5,10%), Ca (3,60%), Na(2,64%), K (2,60%) și Mg (2,10%); principalele zăcăminte de minereuri aflându-se înEgipt și Canada [14]. Este un metal de culoare gri-argintie, cu densitatea de 4,5 g/cm 3,

se topește la o temperatură de 1668°C. La temperaturi ridicate, titanul este sensibil lafoc și provoacă decăderi severe î n contact cu alte metale [13].

Ca propr ietăți, se sudează ușor, se lipește ușor de ceramică și sticlă, o bunăprelucrare mecanică (prin deformare plastică, prin așchiere), iar rezistența deosebită lacoroziune face ca titanul să fie utilizat î n medii agresive [14].

Toate metalele din această grupă sunt greu fuzibile, cu stabilitate chimică în aerși la temperatura camerei, foarte active la temperaturi ridicate plastice în stare pură. Eleiși pierd plasticitatea în cazul impurificării cu oxigen, azot, carbon sau hidrogen [15].

2.2. SCURT ISTORIC ȘI INFORMAȚII PRIVIND RESURSELE DETITAN

Titanul intră în compoziția a aproximativ 100 de minerale. Cele mai importanteminerale ale titanului sunt:

rutilul,TiO2;

ilmenitul,FeTiO3;

titanomagnetitul,Fe3TiO6;

perovskitul,CaTiO3;

titanitul (sfenul),CaTiSiO5;

ulvitul (ulvospinelul), TiFe2O4.


2/20

24

Titanul a fost descoperit în 1791 de către William Gregor (Anglia), î n mineralul deilmenit, titanat de fier impur; în anul 1795, Martin Klaproth (Germania) a descoperit unnou element chimic în mineralul rutil, forma natur ală a dioxidului de titan, când titanul și-a căpătat numele [14]. Ambele minerale sunt răspândite în cantități mari în Australia,Statele Unite și Canada, Norvegia și Finlanda, India, Malaiezia și Rusia [15].

În anul 1930, titanul a fost pentru prima data utilizat în implanturi biomedicale,când s-a constatat faptul că titanul este mult mai bine tolerat decât oțelul inoxidabil sauVitallium-ul (aliajul Co-Cr-Mo) [3], iar utilizarea sa industrială a inceput în 1940 cândindustria aerospațială a recunoscut proprietățile sale unice fizice și mecanice [16].

Folosirea titanului metalic și a aliajelor cu conținut de titan a devenit posibilă din1938, când Wilhelm Kroll a eleborat pentru obținerea titanului un procedeu tehnologic

de reducere a TiCl4 cu magneziu și a propus o aparatură aptă pentru aplicarea acestuiprocedeu pe o scara mai mare. În anul 1946, producția de titan metalic a fost de câtevazeci de kilograme, iar în anii 1955-1956 a crescut până la mii de tone.

Ca urmare, guvernul S.U.A. a subvenționat dezvoltarea tehnologiei de obținere aaliajelor de titan precum și a industriei producătoare [15].

2.3. APLICABILITATEA TITANULUI ÎN DOMENIUL BIOMEDICAL

Excelenta biocompatibilitate face posibilă utilizarea aliajelor de titan atât înimplanturi dentare cât și chirurgicale. Titanul nu are gust metalic datorită vitezei sale decoroziune scăzută, o proprietate excelentă în aplicațiile dentare, și poate fi utilizat laconstituirea structurilor subțiri, ușoare și rezistente, care să fie ușor de curățat. Titanuleste utilizat în numeroase aplicații de la înlocuirea unei articulații, la înlocuireacoastelor, la înlocuirea valvelor de inima, cât și î n cazul stimulatoarelor cardiace,protezelor, instrumentelor chirurgicale, sârmelor din ortodonție, materialelor decoaroana, aparatelor dentare și șuruburilor dentare [16].

Dificultățile tehnologice deosebite legate de extragerea titanului din minereuriconduc la prețuri de cost ridicate și la limitarea domeniului de utilizare.


3/20

25

Se urmărește scăderea costurilor de producție și alături de domeniile dejaconsacrate apariția de noi domenii de aplicabilitate: industria chimică, centraleleelectrice și nucleare, bunuri de larg consum, medicina, arhitectura [17].

Pe langă numeroase aplicații în industria chimică, aliajele de titan sunt folosite cași material biocompatibil undecompatibilitatea lor cu oasele și țesutul uman constituie oexcelenta alegere. Titanul pur comercial este folosit la:

fabricarea dispozitivelor protetice ca valve aortice;

articulații artificiale; implante dentare; știfturi; dispozitive ortodontice;

proteze de șold și genunghi [13]. În ceea ce privește utilizarea titanului și aliajelor sale în domeniul sănătății

deoarece ponderea populației în vârstă de peste 65 ani se va mări de la12% la 21%până la sfarșitul secolului, se preconizează creșterea cererii de titan ca materialbiocompatibil.

Domenii de utilizare a titanului:Domeniul de utilizare cel mai solicitat la titan si aliajele sale este industria

aeronautică.Industria automobilelor folosește titanul pentru valve, arcuri.

În transporturi feroviare pentru componente ale motoarelor, locomotivelor sefolosesc aliaje de titan.

Industria alimentară utilizează titanul pentru schimbătoare de căldură pentrufermentație.Dintre aplicațiile din mecanică sunt de menționat culbutoare, rotoare pentrupompe centrifuge.

În aplicațiile militare, titanul și aliajele sale sunt folosite pentru blindaje și turlelevehiculelor blindate ușoare, lansatoare de mortiere, caști.Datorită timpului scurt de înjumătățire și secțiunii eficace de absorție a neuronilormai mare ca a zi rconiului, titanul se utilizează la componente pentru reactoarenucleare, țevi pentru condensatoare.


4/20

26

În industria chimică, titanul este utilizat sub formă de: tuburi și plăci pentruschimbătoare de căldură, piese forjate pentru vane , robinete.Titanul fiind rezistent la acțiunea apei de mare, se utilizează nave, submarine,instalații de radiolocație care lucrează în atmosferă marină.Rafinăriile de petrol, platformele marine petroliere utilizează titanul sub formă dețevi de foraj, tubulară pentru schimbătoare de căldură, duze pentru instalații deprevenire a erupțiilor.Pentru aplicații decorative, pe suprafața titanului pot fi produse prin anodizareselectivă, o gamă largă de culori. De aici rezultă și intrebuințarea la realizarea debijuterii, sculpturi.Pentru creșterea proprietăților mecanice și chimice, titanul se utilizează ca

element de aliere în oțeluri și unele aliaje neferoase.Un domeniu nou de aplicabilitate al titanului și aliajelor sale este cel sportiv(echipament de golf, biciclete, rachete de tenis, crose de hochei, patine) [17].

2.4. REACȚIA OSULUI LA ACȚIUNEA Ti

Osteointegrarea a fost definită pentru prima oară ca un contact direct os-metal,la nivelul microscopiei optice (0,5 μm). Această definiție a osteointegrării s-a bazat peobservația că titanul poate forma direct os de contact.

În situația optimă, osul acceptă implantul ca fiind o parte din ECM (matriceextracelulară) proprie, realizându-se astfel o fixare rigidă, asimptomatică din punct devedere clinic, pe par cursul încărcării funcționale. Acest tip de fixare este posibilă incazul implantelor de titan.

Alte metale formează de obicei un țesut fibros între os și implant, motiv pentrucare sunt numite „aproape inerte”.

Datorită biocompatibilității și rezistenței lor mecanice, materialele sunt preferate în cazul implantelor supuse la sarcini mari. Cu toate că î n cazul sticlelor bioactive seobservă chiar și legături chimice (stabilirea prin procese fizico-chimice a uneicontinuităti între implant și os), proprietățile lor mecanice sunt inferioare biomaterialelormetalice [9].


5/20

27

2.5. PROPRIETĂȚILE TITANULUI2.5.1. PROPRIETĂȚILE FIZICE ȘI CHIMICE

Titanul este un element activ din punct de vedere chimic, ocupând în seriaelectrochimică a metalelor un loc între magneziu și beriliu, ca urmare el ar trebui să secorodeze puternic.

Totuși, pe suprafața metalului se formează o peliculă superficială la fel ca și încazul aluminiului, a cărei compoziție î n cele mai numeroase cazuri corespunde TiO 2,având la temperatura mediului ambiant o grosime de ordinul a 20÷50Å.

Această peliculă duce la obținerea unei rezistențe î nalte la coroziune, uneorisuperioară oțelurilor, rezistența ce poate fi marită prin aliere cu molibden, reniu, tantal,niobium, paladiu, crom, mangan, etc.

De asemenea, stab ilitatea la coroziune se poate îmbunatăți prin protecțiaanodica, adăugarea unor oxidanți sau în prezența ionilor Fe3+ si Cu2+ [18].

La temperatură normală, titanul este foarte rezistent la coroziune datorită formăriiunui strat superficial de natură oxidică, compact şi aderent la substrat.

La creşterea temperaturii, titanul interacţionează chimic cu gazele din atmosferă

sau dizolvă aceste gaze, conducând la durificarea şi fragilizarea sa. Titanul reacţionează cu azotul la temperaturi mai mari de 600˚ C cu formarea

unui strat superficial de TiN şi a soluţiilor solide de azot cu titan. De asemenea, absorbehidrogenul formând soluţii solide și hidruri [19].

Titanul este chimic stabil: în aer până la 500...600°C, în apa de mare, până la100°C, precum și la temperatur i sub 0°C. Titanul compact intră în reacție cu oxigenul

începând de la 600°C, iar în stare de pulbere, la temperaturi mult mai joase. El se

oxidează treptat, de la oxidul inferior, TiO, până la cel superior, TiO2 [15]. În tabelul 2.1sunt redate principalele caracteristici fizice ale titanului.


6/20

28

Tabelul 2.1. Proprietăți ale titanului [6, 9, 20]

Proprietăț i ValoriCuloare Gri-argintie

Masa atomică 47,90Număr atomic 22

Structura cristalină Tiα-hexagonal compact (HC)Tiβ-cub cu volum centrat (CVC)

Densitatea 4,51 g/cm (~60% fata de oțel)Temperatura de topire 1668°C

Temperatura de fierbere 3260°C

Temperatura de transformare 882°CRezistivitate, 20°C 56 Ω·m/cm

Limita minimă de curgere 480 MPaRezistența minimă de rupere la tracțiune 550 MPa

Modulul de elasticitate longitudinal 102,7 GPaCoeficientul Poisson 0,34

Duritatea 265 (Brinell), 300 (Knoop)

Coeficientul de dilatare termică 8,64·10 - /°CCaldura specifică, 25°C 0,518 J/kg·kCaldura latentă de topire 420,9 k·J/kg

Caldura latentă de transformare 2839 J/molCaldura latentă de fierbere 771 J/molConductibiliatate termică (λ) 0,152 J/cm·grad·sec

Oxizii, hidroxizii, nitrurile si carburile de titan sunt mai stabile chimic decât celeale altor metale. O scurtă car acterizare a celor mai importanți compuși ai titanului estedată î n tabelul 2.2.


7/20

29

Tabelul 2.2. Compuși chimici ai titanului [15]

Denumirea Formula Proprietăț i

Dioxid de titan TiO2 De culoare albă, puținacid, insolubil în apă, înacizi diluati și în soluții

alcaline. În acidul sulfuricconcentrația se dizolvă.

Constituie cel maiimportant semifabricant.

Oxid de titan Ti2O3 De culoare violet-inchisă.Se formează sub acțiunea

reducătoarelor asupraTiO2 la cald.

Protoxid de titan TiO

De culoare auriu-portocalie, este oxidul celmai stabil chimic, care seformează la temperaturi înalte prin reducerea

incompletă a oxizilor detitan la metal.

Acid ortotitanic H4TiO4

Se precipită la

neutralizarea soluțiilorsulfurice și clorhidrice detitan, la rece. Are culoarea

albă. Se dizolvă în aciziminerali diluați și în soluții

alkaline.

Acid metatitanic H2TiO3

Se precipită din soluțiifierbinți și se formează la

încălzirea aciduluiortotitanic. Se dizolvănumai în acid sulfuricconcentrat la cald. Se

formează ladescompunerea cu acizi a

mineralelor de titan.Titanați Sarurile acidului

metatitanicSe formează la topirea

dioxidului și a mineralelor


8/20

30

cu alcalii și cu soda.Insolubile în apa. Solubile

în acid sulfuric concentrat.

Cloruri și fluoruri

TiCl3 TiF3 TiCl4 TiF4 TiI4

Săruri ale titanuluitetravalent, având culoare

violetă. Se formează lareducerea incompletă acompușilor halogenațisuperiori ai titanului.

Tetraclorura, tetraiodura șitetrafluorura de titan suntcompuși cu puncte joasede topire și de fierbere.Temperatura de topire:

TiCl4-23°C, TiF4-+427°C(se topeste sub presiune),TiI4-+150°C. Temperatura

de fierbere sau desublimare: TiCl3-136°C,

TiF4-+284°C (sublimează),TiI4-+377°C

Săruri dubleK2TiF6

Na2TiF6 K2TiCl6

Foarte puțin solubile. Sefolosesc pentru separarea

compușilor de titan deimpurități.

Săruri de titanil TiOSO4 TiOCl2

Produsele hidrolizeiincomplete a sărurilor detitan TiOSO4 este solubil

în soluție de acid sulfuric.Continuarea hidrolizei

duce la formarea aciduluimetatitanic. Hidroliza în

soluție concentrată î ncepe

la pH=1-1,5. pH-ul începutului hidrolizeidepinde de temperatura și

concentrarea soluției.


9/20

31

2.5.2. STRUCTURA CRISTALINĂ ȘI DENSITATEA

Titanul este un metal de tranziție polimorf. Structura cristalină a titanului se

modifică în funcție de presiune și de temper

atură. Planele de cristalizare cu densitate

maximă sunt cele piramidale, prismatice și de bază [14].Titanul are două modificări alotropice (figura 2.1):

αTi, stabilă la temperaturi joase (sub 882°C), având rețea hexagonal compactă cu parametrii a=2,9504Å; c=4,680 Å și raportul c/a=1,587;

βTi, stabilă la temperaturi înalte (peste 882°C), având rețea cubică cu volumcentrat cu parametrul a=3,3065Å la 900°C, respectiv a=3,282Å la 25°C [18, 21].

Mecanismul transformării polimorfe a rețelei cubice cu volum centrat în rețeahexagonal compactă (figura 2.2) constă din două etape:

retea cubică cu volum centrat trece în rețeaua cubică cu fețe centrate; reteaua cubică cu fețe centrate trece în rețeaua hexagonal compactă.Forța motrice a transformăriipolimorfe o constituie diferența î ntre energiile libere

ale celor două faze [18].

Fig. 2.1. Cristalografia titanului în funcţie de temperatură:

A = faza lichidă; B = faza β CVC; C = fazaα HC [22, 23].


10/20

32

Densitatea titanului (4,51 g/cm3) este de aproximativ două ori mai mică decâtdensitatea fierului (7,87 g/cm3) si a cuprului (8,9 g/cm3) [14].

Prezenta oxigenului în titan va duce la creșterea densității (prin formarea desoluție solida interstițială și fără a produce distorsionarea rețelei cristaline). Densitateatitanului la temperatura de 900°C este 4,32 g/cm3, temperatura la care titanul esteimpurificat cu alte elemente chimice [17].

2.5.3. PROPRIETĂȚI MECANICE

Titanul nealiat are drept impurități: C=0,1%; H=0,013%; O=0,3%; N=0,07%;Fe=0,3% [17]; iar pentrutitanul de înaltă puritate, obținut prin electroliză, retopit în vid șilaminat are următoarele proprietăți mecanice:

Rezistența la rupere: Rm=225-230 MPa;

Limita de curgere: Rp0,2=103-105 MPa; Alungirea la rupere: A=23-25%; Gatuirea la rupere: Z=55-60%;

Duritatea Vickers: HV=790-800 MPa [14].

Fig. 2.2. Reprezentarea schematică a transformăriialotropice β ↔ α [21, 23].


11/20

33

La temperaturi înalte rezistența scade cu creșterea temperaturii rămânând totușila un nivel rezonabil de ridicat până la 300°C. În plus resistența mare la fluaj faceposibilă utilizarea titanului la mijloace de propulsie care lucrează până la temperaturi de550°C.

Titanul are caracteristici mecanice corespunzătoare la temperaturi scăzute, cândplasticitatea se micșorează foarte puțin, iar rezistența crește. La temperaturi joase nuse observă fragilitatea [17].

Proprietățile mecanice ale titanului sunt puternic influențate de prezența, chiar și în cantități mici a azotului,oxigenului, hidrogenului și carbonului.

Proprietățile lui mecanice sunt indicate î n tabelul 2.3, în comparație cuproprietățile altor materiale metalice [15].

Tabelul 2.3. Proprietăți mecanice ale titanului și ale altor materiale [15]

Metal/aliaj

Rezistența larupere latracțiune

[daN/mm2]

Alungirea larupere [%]

Modululde

elasticitate

[daN/mm2]

Limita decurgere

[daN/mm2]

Duritatea

Brinell[daN/m

m2]După recoace

re

Ecruisat

Dupărecoace

re

Ecruisat

După recoace

re

Ecruisat

Titanul(99,8%)

32,3 60 50 - 9800-10800

15 - Până la180

Titan celpuțin

99,5%

56 87,5 25 12 11500(recopt)

51 77 Până la260

Oțel cu0,1%

carbon

Până la42

Până la

63,4

Până la35

Până la 15 - - -

Până la200

Oțelinox. De

tipul 18-8

Până la67

Până la

148

Până la35

Până la 15 -

Până la25 -

Până la160

Aluminiu 9-12 18-28

18-25 3-5 - - - 24-32

Duraluminiu

Apropiatde oțelmoale

- - - - - - 45-60


12/20

34

Dinpunct de vedere al proprietăților mecanice, faza α este mai puțin ductilă încomparație cu faza β, datorită limitării capabilității de deformare a structurii hexagonalecompacte. Deci, rezistența la oxidare și la fluaj crește odată cu creșterea conținutului dealuminiu, în timp ce ductilitatea și capacitatea de deformare descrește [13]. Prelucrareatitanului pur și aliajelor sale este indicată î n tabelul 2.4.

Tabelul 2.4. Prelucrarea titanului comercial pur și aliajelor sale [10]

Procesul Condiții

Deformare la caldTi 1 si 2: 650-870°CTi 3 si 4: 700-930°C

Aliaje de Ti: 760-1050°C

DecalcifiereSablarea folosind materiale explozive non-

metalice20% HNO3/2% HF

Cromat

Deformare la rece

Nici o problema pentru Ti 1 si 2Moderat ușor pentru Ti 3 si 4

Pentru acoperi adânci de desen din folii depolimer sunt eficiente

Alți lubrifianți: grafit sau MoS2

2.5.4. PROPRIETĂȚI ELECTRICE

Rezistivitatea electrică a titanului la temperatura camerei este de 20 ori mai mareca a aluminiului și ceva mai scăzută ca a oțelului inoxidabil (18-8) (48·10-6Ωcm), iar lapeste 200°C, rezistivitatea titanului odepășește pe cea a oț elului inoxidabil.

Rezistivitatea este sensibilă la conținutul de impurități solubile, datorită împrăștierii electronilor de conducție, prin distribuirea întâmplătoare a atomilor străini.

La temperaturi de până la 400°C, rezistivitatea titanului crește puternic, liniar cutemperatura. La temperaturi mai ridicate, viteza de modificare a rezistivității începe săscadă și la temperaturi de până la 882°C, are o valoare neobișnuită de joasă.

Deci, la temperaturi mai mari de 450°C, comportarea titanului este diferită de ceaobservată la cele mai multe metale.


13/20

35

Scăderea rezistivității este cu atât mai accentuată cu cât gradul de impurificare altitanuluieste mai mare (mai ales datorită oxigenului) [17].

Temperatura critică de trecere î n stare supraconductoare pentru titan de puritate99,99% este: TC=0,387°K.

În termocuplul Ti-Pt, titanul ar e coeficient Seebeck pozitiv față de platină. În termocuplul Ti-W, titanul are coeficient Seebeck pozitiv, la 60°C trece printr-un

maxim, la 125°C devine zero, iar la temperaturi mai mari devine negativ; la 1400°C

forța termoelectromotoare are valoarea: (2.1)

Coeficientul maxim de emisie electronic secundară, σmax=0,9 la o tensiune deaccelerare a electronilor primari de 0,28 KV.

Constanta Hall a titanului de puritate 99,99%, la temperatur a orientată, RH=-2,4·10 -4 cm3/C; RH crește odată cu creșterea temperaturii și la 670°K (trece la valoripozitive) [14].

2.5.5. PROPRIETĂȚI TERMODINAMICE

Temperatura caracteristică Debye, θD=430°K;

Entalpia de topire specifică, ∆Htop=358,3 kJ/kg; Capacitatea calorică specifică, la 298°K, Cp=521 J/kg·k; Capacitatea calorică electronică, Cpel=3,52T mJ/mol·k; Entalpia transformării Tiα→Tiβ, ∆Hαβ=87,4 kJ/kg; Variația volumului la transformarea Tiα→Tiβ, ∆V=-(0,15-0,3)%; Entalpia transformării Tiα→Tiω, ∆Hαω=25,3 kJ/kg; La Ttop, presiunea de vapori a Ti este 0,515 Pa; Energia superficiala a titanului, U=1444 mJ/m2; Tensiunea superficială la 2040°K, σ=1390 mN/m2; Energia de formare a defectelor de împachetare î n Tiα, Edi=10 mJ/m2 [17].


14/20

36

2.6. REZISTENȚA LA COROZIUNE A TITANULUI ȘI ALIAJELOR SALE

Pe lângă proprietățile fizice și mecanice superioare, atât titanul cât și aliajele de

titan se caracterizează printr -o buna rezistență la coroziune în multe medii chimicedatorită formării unei pelicule (fine) superficiale de oxid (TiO2) protectoare [17].Formarea unei a semenea pelicule este favorizată de acidul azotic, clorura cuprică,clorura f erică, hipocloritul de sodiu. În alte medii, compoziția peliculei poate fi diferită. Î nacid fluorhidr ic sau în acid clorhidric, pe suprafața titanului se formează un strat dehidrură de titan TiH2 [15].

Titanul este un metal foarte oxidabil datorită valorii mici a potențialului deelectrod la echilibru (-1,63%) pentru reacția:

(2.2) Acest potențial plasează titanul î ntre Mg (-2,73 V pentru Mg/Mg2+) și Zn (-0,763

V) și aproape de Al (-1,66 V).Privind rezistența la coroziune a aliajelor de titan se constată următoarele:

a) stabilitate perfectă față de mediile cu caracter oxidant sau neutru (mediiorganice, solutii apoase, apă de mare);

Fig.2.3. Coroziune extinsă pe tija de titan a uneiproteze de șold modulară [5].


15/20

37

b) stabilitate limitată sau nulă față de mediile neoxidante (HCl) sau foarte oxidante(acid nitric oxidant la cald, sub presiune H2SO4 medii alcaline concentrate calde,

cu pH scăzut);c) stabilitate nulă față de ionii de flour în soluție apoasa de HF;d) titanul și aliajele de titan produc coroziune de contact cu Al, aliaje de Al, aliaje de

Mg, aliaje de Zn.Prezența ionilor cu mase grele (Fe3+, Cu2+...) imprimă un comportament oxidant,

sporindu-se rezistența la coroziune a titanului și aliajelor de titan la contactul cu aciziineoxidanți (HCl, H2SO4). Titanul nealiat este insensibil la coroziunea sub tensiune latemperaturi sub -250°C. În figura 2.4este prezentată rezistența la coroziune a titanului

în comparație cu alte materiale și î n diferite medii chimice (HCl, H2SO4) [17].

Ca elemente de aliere care măresc rezistența la coroziune a titanului se potenumera Mo, Ta, Zr, Ni și metalele nobile.

Prin alierea titanului cu Mo, mai ales cu 30% Mo, crește rapid rezistența la

coroziune față la acizii: clorhidric, fosforic și sulfuric. Alierea titanului cu Nb (30%)mărește rezistența la coroziune în acid clorhidric. În acizii sulfuric și fosforic, la 150°C,aliajele cu Nb nu sunt rezistente. Aliajele de titan cu Zr (15%) și Ta (20%) suntrezistente în acid fosforic. Alierea cu aceste metale nu mărește rezistența fața de aciziiclorhidric și sulfuric.

Fig. 2.4. Comportarea titanului și aliajelor sale la coroziune î n H2SO4 (a) si HCl (b), în comparație cu alte materiale [17].


16/20

38

Adăugarea pa ladiului sau a platinei, chiar în cantități mici (0,1-0,2%), măreșterezistența aliajelor de titan în soluții de acid clorhidric și acid sulfuric la concentrații cemerg până la 30% și temperaturi de până la 100%. Î n aliajele de titan cu paladiu serecomandă introducerea cromului, molibdenului sau zirconiului; rezistența aliajelor detitan cu Mo crește, dacă se adaugă 5% Cr. Puterea de pasivare a titanului crește prinalierea cu diferite metale ca: Pd, Pt, Ni, Mo, Cr, Zr, Ta, Nb, V [15].

Rezistența la coroziune î n alcali , titanul are o bună rezistență la coroziune însoluții alcaline precum soda caustică, hidroxizii de bariu și magneziu, chiar latemperaturi și concentrații ridicate. Doar o soluție concentrată de KOH adus la fierbereduce la o coroziune puternică.

Reacția cu gaze , titanul are o mare afinitate față de O2 si N2 cu care și

reacționează pentru a produce oxizi și nitrați stabili. Deși titanul nu rezistă la acțiuneaclorului gazos uscat, este totuși rezistent, atunci când clorul prezintă un conținut deminimum 0,5% apă. Titanul absoarbe hidrogen din hidruri, o cantitate însemnată dehidrogen ducând la fragilizare.

Rezistența la coroziune fisurant ă, prin alierea titanului cu 0,05% Pd, creșterezistența la coroziune fisurantă (și rezistă la coroziune în acizi neoxidanți). Titanul arede asemenea o bună rezistență la coroziune în apă fierbinte sau abur.

Fig. 2.5. Apariţia coroziunii fisurante într -un oțelinoxidabilsub efectul de fierbere a soluției MgCl2 30%.


17/20

39

Coroziunea galvanic ă, are loc atunci când diferite materiale iau contact într-unelectrolit. În acest caz metalul cu un potențial electric mai sacăzut (de obicei metalul debază) se poate coroda. Protecția catodică previne acest tip de coroziune [17].

Coroziunea prin frecare , chiar și în cazul titanului și aliajelor sale, se pot î ntalniprobleme legate de stabilitatea chimică și mecanică. Acestea au fost atribuite de celemai multe ori unei acțiuni conjugate de atac chimic și mecanic. Coroziunea prin frecareeste o formă de uzură caracteristică prin deplasări de mică amplitudine, de obicei maimici de 100 μm. Î n general coroziunea prin frecare este considerată responsabilă pentrucea mai mare parte di n cantitatea de metal eliberat în țesuturi. Ea este cauzată demicro deplasările ce se produc la nivelul interfeței os/implant [9].

Coroziunea pitting reprezintă o î ntrerupere a peliculei oxidate, prin orice fel de

mecanism, provoacă o dizolvare a materialului prin acel loc, care devine anod. Datorită acumularii ionilor de electroni în aceste regiuni șansele repasivării sunt slabe. Acest tipde coroziune atinge metalele pasivabile.

Coroziunea intergranulară (intercristalină ) este întâlnită la unele aliaje, undezonele de joncțiune sunt heterogene din punct de vedere chimic [7].

Coroziunea intergranulară și în puncte nu este caracteristică pentru titan;coroziunea în fisuri nu a fost constatată la titan, nici la încercări de lunga durată. Deasemenea, nu a fost constatată nici coroziunea titanului aflat sub tensiune în mediidiferite, cu excepția mediului de acid azotic fumans. Titanul este rezistent la coroziunea în cavități și la coroziune prin îmbătrânire [15].

Fig. 2.6. Coroziune pitting într-un oțel inoxidabil [5].


18/20

40

Coroziunea în crevas ă este un proces de coroziune intens localizat (variind dela mici puncte de atac pana la coroziunea întregii suprafețe).

În cazul acestui tip de coroziune, fenomenul care are loc se caracterizează printr -o anumită configurație geometrică a piesei metalice, în care reactantul catodic (î n modnormal oxigenul dizolvat) sau de difuzie, la suprafața metalică de la periferia crevasei,

în timp ce excesul în interiorul ei se produce mult mai greu, doar prin difuzie pe la gurastrâmtă a crevasei. Acest lucru conduce la o diferența în concentrația reactantului

catodic la cele două suprafețe,

din acest motiv este considerată ca o celula deconcentrație [11].

Fig. 2.8. Apariţia coroziunii în crevasă în gaura pentru şurub aunei plăcuţe ortopedice de fixare [5].

Fig. 2.7. Apariția coroziunii intergranulare pe oțel inoxidabil [5].


19/20

41

Tabelul 2.5. Medii corozive în care poate fi utilizat respectiv evitat titanul [16]

Mecanismul de

coroziune

Medii

Acceptate Neacceptate

Coroziune uniformă

- Acizi oxidanți-Cloruri concentrate-Acid azotic diluat- Alcali concentrați -Gaze sulfuroase și careconțin sulf-Gaze clorurate umede-Solvenți organici-Cloruri metalice concentrate-Aer-Oxidanți- Apă de mare: aerată,conținând sulfuri, concentrată în cloruri, curgătoare,temperatura 130°C

-Bromură oxidantă -Solvenți organici anhidri latemperatură ridicată -Scule de manipulare șiprelucrare din fier și oțel-Curenți vagabonzi deprotecție electrochimică

AC/DC

Coroziune în crevasă

-Soluții acide oxigenate latemperatura 80°C-Concentrații de clorură >1000 μg/g -Garnituri uzate din teflon,vitaon-Materiale nemetalice fără pori


20/20

42

Fragilizare cu hidrogen -Hidrogen gazos latemperatura 80°C-Soluții cu 3>pH>12: acizineoxidanți, acizi organici,uree, amoniac, hidroxizi(sodă caustică, carbonatulde amoniu cu hidrogensulfurat la temperatura>80°C-Ruperea filmului de oxidcontinuu prin: efort detracțiune, abraziune-Potențial electrochimicnegativ (-0,7)+(-0,8 V) vselectrod saturat de calomel

(SCL): cuplaj galvanic Fe,oțel sau Cu; protecțiecatodică excesivă

02_Capitolul 2.pdf

Documents

Transcript of 02_Capitolul 2.pdf