Ficha técnica de titanio Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI): propiedades, UNS y normas

El titanio Grade 23 es Ti-6Al-4V ELI, la versión de intersticiales extra bajos de la aleación Ti-6Al-4V. ELI significa que la fusión se mantiene con límites de oxígeno y hierro más estrictos que Grade 5, y conforme a la serie B de ASTM, también con un límite de nitrógeno más estricto. Esos intersticiales son los que hacen que Ti-6Al-4V sea sensible a las entallas, por lo que reducirlos proporciona tenacidad a la fractura, tolerancia al daño y ductilidad que se mantiene a temperaturas criogénicas, a cambio de aproximadamente un 7 por ciento menos de resistencia mínima a la tracción.

Composición química del titanio Grade 23

Grade 23 y Grade 5 pertenecen al mismo sistema de aleación. El aluminio y el vanadio apenas varían; lo que cambia es el límite máximo de intersticiales y hierro. Los límites siguientes corresponden al análisis de colada de ASTM B348 Table 1, que B265, B381 y B863 repiten, junto con Grade 5 y F136.

Tres filas concentran casi toda la diferencia de ingeniería: el oxígeno baja de 0.20 a 0.13 por ciento máximo, el hierro de 0.40 a 0.25, el nitrógeno de 0.05 a 0.03. El oxígeno es un elemento de refuerzo económico, pero rigidiza la fase alfa y hace que la aleación sea sensible a las entallas, por lo que cada punto eliminado intercambia resistencia por tenacidad. El hierro se concentra en la fase beta y favorece la segregación, por lo que ELI también lo reduce.

Dos detalles quedan simplificados en la mayoría de las fichas técnicas publicadas de Grade 23. La serie B industrial limita el nitrógeno de forma más estricta que la norma para implantes, 0.03 frente a 0.05 por ciento, por lo que F136 no es uniformemente más estricta que B348. Además, F136 añade un límite específico de itrio de 0.005 por ciento, mientras que la serie B solo incluye el itrio bajo su límite residual de 0.1 por ciento por elemento, siendo el itrio procedente del refractario del crisol una preocupación de limpieza para implantes.

Propiedades mecánicas del titanio Grade 23

Mínimos de especificación para material recocido, no valores típicos. La columna ASTM F136 se aplica a barras y piezas forjadas de 4,75 mm hasta menos de 44,45 mm de sección. Por encima de ese tamaño de sección, F136 baja a 825 MPa (120 ksi) de resistencia a la tracción, 760 MPa (110 ksi) de límite elástico, 8 por ciento de alargamiento y una reducción de área de 20 o 15 por ciento según el intervalo de tamaño, por lo que un pedido F136 debe indicar el tamaño de sección antes de que se establezcan los valores de aceptación.

La chapa fina, el fleje y la chapa gruesa ASTM B265 tienen los mismos mínimos de 828 y 759 MPa para Grade 23, y de 895 y 828 para Grade 5, con 10 por ciento de alargamiento y sin requisito de reducción de área.

Observe la fila de reducción de área. B348 acepta 15 por ciento para barra Grade 23 en condición recocida, mientras exige 25 por ciento para Grade 5, y B348 exige 25 por ciento para Grade 23 en condición beta transformada; B381 exige 25 por ciento para piezas forjadas Grade F-23. Un plano que indique Grade 23 y exija por separado 25 por ciento de reducción de área solicita más de lo que garantiza la barra B348, y esto debe resolverse en la fase de pedido, no durante la inspección. B348 también limita estas propiedades a secciones longitudinales de hasta 76 mm de espesor y 64,5 cm2 de sección transversal.

Tenacidad a la fractura, fatiga y ductilidad a baja temperatura

Por esta razón existe ELI, y ninguna tabla de especificaciones lo muestra: B348, B265, B381 y F136 no establecen la tenacidad a la fractura como requisito de aceptación. Considérela como comportamiento del material, no como un valor certificado.

ATI y Carpenter declaran que la calidad ELI tiene una tolerancia al daño superior, es decir, tenacidad a la fractura y velocidad de crecimiento de grietas por fatiga, además de mejores propiedades criogénicas. Carpenter añade que la tenacidad aumenta con estructuras de alfa más lamelares y gruesas más beta, por lo que Grade 23 recocido beta supera al recocido en fábrica con una composición química idéntica. ATI señala que las soldaduras ELI superan a las soldaduras de calidad estándar en ductilidad, resistencia al impacto y tenacidad.

La tenacidad a la fractura típica publicada en deformación plana sitúa Grade 23 en torno a 75 a 90 MPa·m^0.5, frente a aproximadamente 55 a 75 para Grade 5. Estos son intervalos de la bibliografía, no mínimos de especificación: la tenacidad varía con la microestructura, la forma y la orientación, y no se certifica salvo que se adquiera como requisito suplementario.

Carpenter publica límites de fatiga axial para Ti-6Al-4V ELI recocido con una relación de tensiones de 0.06 a 0.1 de 400 a 700 MPa (60 a 100 ksi) liso, y de 140 a 270 MPa (20 a 40 ksi) entallado con un factor de concentración de tensiones de 3. La dispersión es amplia porque la fatiga de alto número de ciclos está gobernada por la microestructura y la condición superficial: el acabado superficial y la ausencia de capa alfa determinan la vida a fatiga tanto como la calidad indicada en el certificado.

La baja temperatura es donde el argumento de los intersticiales se vuelve inequívoco. Grade 5 pierde ductilidad a medida que baja la temperatura, porque el alfa reforzado con oxígeno resiste el deslizamiento. Grade 23 conserva un alargamiento utilizable hasta la temperatura del hidrógeno líquido: investigaciones publicadas sobre ELI con oxígeno cercano a 0,10 por ciento informan de un límite elástico de alrededor de 1600 MPa y un alargamiento a rotura de hasta 12 por ciento a 20 K. Por lo tanto, las especificaciones de recipientes criogénicos y componentes criogénicos tienden a indicar ELI en lugar de Grade 5, aunque la calidad aplicable se determina por la norma rectora y el pedido, no por una regla general.

Propiedades físicas del titanio Grade 23

Las propiedades físicas son esencialmente sin cambios respecto a Grade 5. Datos típicos publicados a temperatura ambiente.

Más sobre este tema: ¿Es magnético el titanio? expone los valores de permeabilidad por calidad y por qué ASTM B265 y B348 no los verifican.

Dos de estas propiedades determinan las decisiones en planta. La conductividad térmica cercana a 6,7 W/m·K equivale aproximadamente a una séptima parte de la del acero al carbono, por lo que el calor de corte permanece en la herramienta en lugar de en la viruta. La temperatura transus beta cercana a 975 C establece el límite máximo de recocido: si se supera, la estructura equiaxial desaparece.

¿Qué número UNS corresponde a Grade 23, R56407 o R56401?

Ambos son correctos. El que debe figurar en su certificado depende de la norma conforme a la cual realizó el pedido, no de las palabras Grade 23. Este es el error de documentación más común en las compras de ELI, y varias fichas técnicas de Grade 23 ampliamente citadas imprimen R56401 independientemente de ello.

La regla es sencilla. Toda especificación industrial ASTM de la serie B designa Grade 23 como UNS R56407. Solo ASTM F136, la especificación para implantes quirúrgicos, incluye R56401, y ese número figura en su título.

El alcance publicado de ASTM B348 dice, textualmente, Grade 23, UNS R56407, aleación de titanio, 6 por ciento de aluminio, 4 por ciento de vanadio con elementos intersticiales extrabajos, ELI. B265 y B863 utilizan una redacción idéntica; B381 utiliza Grade F-23, UNS R56407. ASTM F136 se titula Especificación normalizada para aleación forjada Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI para aplicaciones de implantes quirúrgicos, UNS R56401. La International Titanium Association y ATI publican ambas ELI bajo R56407.

Por qué es importante comercialmente: si su plano especifica ASTM B348 Grade 23 y el certificado imprime R56401, el certificado no coincide con la especificación solicitada, y un inspector de recepción puede rechazarlo. También ocurre lo contrario, con material para implantes F136 certificado como R56407 y el sistema de calidad de dispositivos señalando una falta de trazabilidad. Los números no son intercambiables, porque la documentación de aceptación difiere: F136 añade un límite de itrio, permite un contenido de nitrógeno mayor y aplica sus propios requisitos de producto.

Regla para compradores: indique primero la norma y deje que el UNS la siga. Si una oferta indica Grade 23 conforme a ASTM B348 pero escribe R56401, el número de F136, determine cuál debe figurar en el certificado antes de que se asigne la colada.

Normas y formas de producto

Grade 23 está cubierto en toda la gama de productos de fábrica. La especificación aplicable se determina por la forma del producto, y el UNS la sigue.

El detalle de aceptación por forma se encuentra en nuestra guía de barras y tochos ASTM B348 y Guía de chapa fina y chapa gruesa ASTM B265. Véase también barra de titanio Ti-6Al-4V ELI.

Grade 23 frente a Grade 5: cuándo merece la pena pagar el coste adicional de ELI

Grade 5 es la opción predeterminada correcta. Está disponible en inventario de forma más amplia y ofrece un mínimo de 895 MPa de resistencia a la tracción frente a 828, por lo que, en una pieza con carga estática dimensionada por límite elástico, la calidad ELI cuesta más y proporciona menos resistencia por kilogramo.

Grade 23 justifica el coste adicional cuando el modo de fallo es una grieta en lugar de un nivel de tensión: piezas críticas respecto a la fractura en las que debe tolerarse un defecto en lugar de evitarse, piezas sometidas a fatiga cerca de su límite de resistencia, conjuntos soldados en los que gobierna la ductilidad de la soldadura, servicio criogénico y material para implantes. El coste reside en la ruta de fusión, no en el contenido de aleación: un límite máximo de oxígeno de 0,13 por ciento requiere materia prima seleccionada y, en la práctica industrial normal, múltiples refundiciones por arco al vacío, lo que restringe para qué puede certificarse cualquier colada.

La elección se analiza caso por caso en nuestra comparación de titanio Grade 5 frente a Grade 23. Para una solicitud de oferta que aún esté comparando Grade 2, Grade 5 y las calidades resistentes a la corrosión en forma de barra, utilice la guía de selección de calidad de barra de titanio.

Aplicaciones

Implantes quirúrgicos. Ti-6Al-4V ELI según ASTM F136 e ISO 5832-3 es la aleación principal para implantes permanentes portantes: vástagos de cadera y rodilla, barras espinales y tornillos pediculares, chapas para traumatología, tornillos óseos y componentes dentales. La biocompatibilidad procede de la película pasiva de dióxido de titanio que se reforma instantáneamente en el aire o en el fluido corporal, permitiendo que la aleación tolere la composición química de las salmueras con cloruros. La fatiga es la segunda razón, dado que un implante se carga cíclicamente durante millones de ciclos. Beiyu suministra productos de fábrica de esta calidad, barra, chapa gruesa, alambre y piezas forjadas, que los fabricantes de implantes mecanizan y validan como dispositivos. No fabricamos implantes terminados. El detalle se encuentra en nuestra guía de normas de titanio de calidad médica y la barra ELI ASTM F136 página.

Servicio criogénico. Equipos criogénicos, equipos para hidrógeno líquido y oxígeno líquido, y estructuras de bancos de ensayo de extremo frío, donde la ductilidad conservada por debajo de menos 196 C es el factor de selección.

Piezas críticas respecto a la fractura y sometidas a fatiga. Componentes de estructuras aeronáuticas y de aeronaves de rotor tolerantes al daño, equipos submarinos, secciones de equipos a presión y cualquier pieza diseñada conforme a una filosofía de tolerancia al daño en lugar de vida segura, donde el valor admisible se determina por el crecimiento de grietas en lugar del límite elástico.

Cómo especificar titanio Grade 23 en un pedido

La mayoría de las discrepancias aquí son discrepancias de documentación. Una partida inequívoca incluye:

1. Norma y calidad juntas, por ejemplo ASTM B348 Grade 23 o ASTM F136. Nunca Grade 23 por sí sola.
2. El número UNS correspondiente a esa norma, R56407 para la serie B y R56401 para F136, para que el certificado pueda verificarse en la recepción.
3. Forma, dimensiones y clase de tolerancia, además de si está recocido en fábrica o beta recocido cuando la tenacidad es el factor determinante.
4. Condición superficial, dado que la eliminación de la capa alfa determina la vida a fatiga.
5. Cualquier requisito adicional a la norma, como una reducción de área superior al mínimo de B348, una clase ultrasónica o un ensayo de tenacidad o fatiga, indicado como requisito suplementario en la consulta.
6. Certificación requerida, incluido el número de colada indicado.

Beiyu Titanium suministra productos de fábrica Grade 23 conforme a las especificaciones ASTM. Cuando se requieran documentación EN 10204 3.1 y trazabilidad por número de colada o lote, indique los resultados solicitados y los campos de trazabilidad en la RFQ. Envíe el plano o la línea de especificación y Beiyu confirmará la calidad, la norma, la designación UNS y el alcance documental en la oferta.

Preguntas frecuentes

¿Es el titanio Grade 23 más resistente que Grade 5?

No, no en resistencia estática. Grade 5 tiene el mínimo de especificación más alto, 895 MPa de resistencia a la tracción y 828 MPa de límite elástico, frente a 828 y 759 para Grade 23 en la misma forma de barra recocida. Grade 23 es más tenaz, no más resistente: resiste mejor la iniciación y el crecimiento de grietas, mantiene la ductilidad a temperatura criogénica y ofrece mejor rendimiento en fatiga y en soldaduras.

¿Puede utilizarse una barra ASTM B348 Grade 23 para fabricar implantes?

No como sustituto de ASTM F136. La composición química coincide en gran medida, pero F136 es lo que los sistemas de calidad de dispositivos médicos y los organismos reguladores reconocen para material de implantes, y tiene su propio número UNS, R56401, además de un límite de itrio y sus propios requisitos de producto. B348 Grade 23 es industrial, y pedirlo para un implante crea una brecha de trazabilidad que se evidencia en una auditoría del dispositivo.

¿Por qué el titanio Grade 23 cuesta más que Grade 5?

El coste está en la fusión, no en el contenido de aleación. Mantener el oxígeno en un máximo de 0,13 por ciento y el hierro en 0,25 por ciento requiere materia prima seleccionada y múltiples refundiciones por arco al vacío, y restringe el intervalo dentro del cual puede certificarse una colada, por lo que una mayor parte de cualquier fusión no logra la cualificación. El incremento varía según la forma, el volumen y el paquete de certificación.

¿Contiene níquel el titanio Grade 23?

No. El níquel no es un elemento de aleación en Ti-6Al-4V ELI. La composición es titanio con 5.5 a 6.5 por ciento de aluminio y 3.5 a 4.5 por ciento de vanadio, además de intersticiales e hierro controlados. El níquel no se añade intencionadamente, pero, como cualquier elemento residual, puede estar presente en cantidades traza, controladas por el límite residual de 0.1 por ciento por elemento y 0.4 por ciento en total. Que un material determinado sea adecuado para un paciente sensible al níquel es una decisión del fabricante del dispositivo y del clínico frente al certificado de materiales, no algo que la calidad por sí sola determine.

Para conocer quién más publica este material y qué declara cada uno, consulte Proveedores de barra de titanio Grade 23: comparación de páginas de cinco empresas.

Detalles de especificación con fuentes

La documentación de implantes Ti-6Al-4V ELI se rige por dos documentos paralelos, y sus valores de aceptación no son idénticos. ISO 5832-3, la norma de implantes para Ti-6Al-4V trabajado, indica una resistencia a la tracción mínima de 860 MPa, un límite elástico convencional al 0,2 por ciento de 780 MPa y un alargamiento del 10 por ciento, valores próximos, pero no iguales, a los ASTM F136 valores de barra tabulados anteriormente. Por tanto, una colada certificada únicamente conforme a ISO 5832-3 no satisface automáticamente un pedido F136, porque cada documento establece muestreo e informes según sus propias cláusulas, y un expediente de dispositivo que cite ambos necesita que la base de aceptación se indique línea por línea.

Para compras aeroespaciales en lugar de implantes, la misma composición química ELI se pide conforme a SAE AMS 4930, que abarca barras, alambre, piezas forjadas y anillos de Ti-6Al-4V ELI en estado recocido, o AMS 4931, la versión con recocido dúplex utilizada en componentes críticos frente a fractura. La verificación de la declaración de intersticiales de cualquier certificado se basa en los métodos analíticos: ASTM E1409 abarca la determinación de oxígeno y nitrógeno en titanio mediante fusión en gas inerte, y ASTM E1447 abarca el hidrógeno mediante fusión en gas inerte con conductividad térmica. Citar esas normas de método en el pedido vincula la técnica de laboratorio con los límites que se certifican.