El oxígeno, el nitrógeno, el carbono y el hidrógeno ocupan los huecos de la red del titanio en lugar de sustituir átomos de titanio, por lo que unos pocos cientos de partes por millón modifican la resistencia y la tenacidad más que los cambios en el nivel de aleantes. Son las cuatro cifras de un certificado que determinan si una pieza es resistente, tenaz, soldable o si se agrieta en servicio.
La línea de un certificado de titanio que más determina no es el aluminio ni el vanadio. Son los cuatro pequeños números debajo: oxígeno, nitrógeno, carbono e hidrógeno. Se informan en centésimas y milésimas de porcentaje, es fácil pasarlos por alto y controlan discretamente si una pieza es resistente, tenaz, soldable o se agrieta tras tres meses de servicio.
Estos son los elementos intersticiales: átomos lo suficientemente pequeños para situarse en los huecos de la red cristalina del titanio en lugar de sustituir átomos de titanio. Como distorsionan directamente la red cristalina, unos pocos cientos de partes por millón modifican propiedades que cambios a nivel de aleación no modificarían.
Cifras reales para contextualizarlo
Estos son los elementos intersticiales medidos en un lote reciente de lingotes TC4 (Ti-6Al-4V), ensayado en un laboratorio independiente acreditado:
| Intersticial | Medido | En ppm | Límite de Grade 5 | Límite de Grade 23 (ELI) |
|---|---|---|---|---|
| Oxígeno (O) | 0.186% | 1,860 | ≤ 0,20% | ≤ 0,13% |
| Nitrógeno (N) | 0.007% | 70 | ≤ 0,05% | ≤ 0,03% |
| Carbono (C) | <0,004% | <40 | ≤ 0,08% | ≤ 0,08% |
| Hidrógeno (H) | <0,0006% | <6 | ≤ 0,015% | ≤ 0,0125% |
Ese lote es un Grade 5 limpio y saludable y, de forma igualmente útil, muestra dónde termina Grade 5. Su oxígeno (0,186%) cumple holgadamente Grade 5, pero cumpliría Grade 23, que limita el oxígeno a 0,13%. Mismo Ti-6Al-4V, distinto presupuesto de intersticiales. La diferencia entre estas dos calidades está casi por completo en esta tabla.
Oxígeno: el principal reforzante
El oxígeno es la palanca más potente en el titanio comercial. Aumenta de forma constante el límite elástico y la resistencia a la tracción y, a cambio, reduce la ductilidad, la tenacidad a la fractura y la resistencia a las grietas por fatiga. Esta compensación es tan fiable que las calidades comercialmente puras son esencialmente una escala de oxígeno:
| Calidad CP | Oxígeno (máx.) | Efecto |
|---|---|---|
| Grade 1 | 0.18% | La más blanda, la más conformable |
| Grade 2 | 0.25% | La opción versátil de uso general |
| Grade 3 | 0.35% | Mayor resistencia |
| Grade 4 | 0.40% | CP más resistente, menos dúctil |
Cuatro “calidades” del mismo titanio comercialmente puro, diferenciadas principalmente por la cantidad de oxígeno permitida. Una vez comprendido esto, gran parte de la selección de calidades deja de ser memorización. (Nuestra guía comparativa de calidades expone la escala completa.)
Nitrógeno y carbono: límites bajos por una buena razón
El nitrógeno refuerza el titanio aún más que el oxígeno, aproximadamente el doble, razón por la que las especificaciones lo mantienen bajo estricto control y por la que aparece duplicado en la fórmula de oxígeno equivalente a continuación. Su peligro real es local: una zona rica en nitrógeno puede formar inclusiones de TiN duras y frágiles (“alfa duro”) que actúan como iniciadores de grietas. El objetivo es un contenido bajo y uniforme; los 70 ppm de nuestro lote de ejemplo están un orden de magnitud por debajo del límite de Grade 5.
| Intersticial | Qué indica la guía |
|---|---|
| Nitrógeno | Refuerza el titanio con una eficacia aproximadamente doble que el oxígeno, por lo que las especificaciones lo limitan estrechamente |
| Hidrógeno | No aporta nada útil y puede inutilizar la pieza; el hidrógeno disuelto provoca fragilización por hidrógeno y agrietamiento frágil retardado |
El carbono es el más leve de los cuatro. A niveles normales tiene poco efecto; solo muy por encima de la especificación forma carburos que perjudican la ductilidad. Indicado aquí por debajo de 40 ppm, no supone un problema.
El equivalente de oxígeno: un número para la carga de refuerzo
Dado que el oxígeno, el nitrógeno y el carbono refuerzan y fragilizan, los metalurgistas los agrupan en un único equivalente de oxígeno:
Oeq = %O + 2 × %N + 0.67 × %C
Para nuestro lote: 0.186 + 2(0.007) + 0.67(0.004) ≈ 0.203%. Esa única cifra refleja el refuerzo intersticial total y la penalización total de tenacidad mejor que el oxígeno por sí solo, razón por la que las especificaciones críticas para fractura y ELI la controlan estrechamente.
Hidrógeno: el que solo supone un perjuicio
Los otros tres aportan resistencia. El hidrógeno no aporta nada útil y puede costarle la pieza. El hidrógeno disuelto provoca fragilización por hidrógeno y agrietamiento frágil retardado, a veces mucho después de que la pieza entre en servicio. Está limitado a 150 ppm para Grade 5 y 125 ppm para ELI, y las buenas prácticas lo mantienen muy por debajo; menos de 6 ppm en este lingote.
El problema es que el hidrógeno se incorpora después también durante la fusión: el decapado ácido agresivo, la soldadura contaminada y determinados entornos de servicio añaden hidrógeno. Un lingote limpio es necesario pero no suficiente; la manipulación y el procesamiento deben mantenerlo limpio.
Cuándo pagar por ELI (Grade 23)
Grade 23 es Ti-6Al-4V con los intersticiales reducidos: oxígeno ≤0,13%, nitrógeno ≤0,03%, y límites más estrictos para hierro e hidrógeno. Se sacrifica algo de resistencia y se gana tenacidad a la fractura, ductilidad, comportamiento a fatiga y compatibilidad criogénica y biológica. Suele justificarse en tres ámbitos:
| Aplicación |
|---|
| Implantes médicos, donde importan la tenacidad y la biocompatibilidad y el material se compra según ASTM F136; normalmente como chapa gruesa Grade 23 (ELI) y barra. |
| Estructura aeroespacial crítica a fractura, donde una pieza se diseña para tolerar una grieta sin fallar. |
| Servicio criogénico, donde el titanio con contenido intersticial estándar pierde demasiada ductilidad. |
Si su aplicación no se encuentra entre esas, Grade 5 estándar suele ser la opción correcta y más económica. Suministramos ambos Ti-6Al-4V (Grade 5) y Grade 23 ELI con el análisis de intersticiales en el certificado de materiales, de modo que la elección se haga basándose en cifras y no en el nombre de la calidad.
Preguntas frecuentes
¿Por qué el oxígeno en el titanio se informa en porcentaje pero se denomina ppm?
Son lo mismo, con distinta escala: 0,18% de oxígeno equivale a 1800 ppm. Los certificados suelen indicar el porcentaje; los ingenieros suelen hablar de ppm porque los cambios significativos se producen a nivel de cientos de ppm.
¿Puede eliminar el oxígeno del titanio cuyo contenido es demasiado alto?
En la práctica, no. El oxígeno intersticial queda fijado en la red cristalina desde la fusión; no puede eliminarse mediante recocido. Por eso debe controlarse en la etapa de lingote y por eso importa el certificado del lingote.
¿Es "ELI" una aleación diferente de Grade 5?
No. es la misma composición química Ti-6Al-4V con un límite intersticial más estricto (Grade 23). Los elementos de aleación son nominalmente idénticos; los límites de O/N/Fe/H son más bajos.
¿Cómo confirmo los intersticiales del material que compro?
Solicite el certificado de materiales con la composición química completa y compárelo con la calidad y la aplicación. Enviar una consulta con la calidad, la norma y la documentación que necesita.
Detalles de especificación con fuentes
ASTM asigna a cada elemento intersticial del titanio su propio método de ensayo, y el método es lo que hace comparables entre laboratorios los cuatro valores informados en un certificado: el oxígeno y el nitrógeno se determinan mediante fusión en gas inerte conforme a ASTM E1409, el hidrógeno mediante fusión en gas inerte según ASTM E1447, y el carbono mediante análisis por combustión según ASTM E1941. Estos son los métodos que las normas de producto de titanio citan para el análisis químico, por lo que un pedido que los indique, 3 normas de método que abarcan los 4 elementos, resuelve de antemano qué instrumento prevalece cuando el reensayo de un comprador no coincide con la cifra de fábrica.
Beiyu Titanium encarga el análisis de elementos intersticiales de cada colada de producción a un laboratorio externo de fábrica o al laboratorio interno de la propia fábrica, 2 vías de laboratorio, y declara oxígeno, nitrógeno, carbono e hidrógeno en el certificado de inspección 3.1 según EN 10204 de esa colada. Para trabajos en los que los límites de elementos intersticiales son el objeto del pedido, Beiyu suministra ELI Grade 23 en 4 formas trabajadas, barra, chapa gruesa, tubo y piezas forjadas, para que una misma fabricación pueda mantener los mismos límites máximos de elementos intersticiales desde la envolvente hasta la pieza mecanizada.
Envíe una solicitud de oferta técnica
Para solicitudes de oferta de selección de calidad de titanio, incluya la calidad objetivo, el requisito de oxígeno o resistencia, la forma del producto, las dimensiones, la tolerancia, la aplicación y el requisito de certificado.