¿Es conductor el titanio? Resistividad y conductividad térmica, calidad por calidad

Sí. El titanio es un metal conductor, pero un mal conductor. Grade 2 comercialmente puro tiene una resistividad eléctrica de 56 microohmios-centímetro a temperatura ambiente, lo que equivale a aproximadamente 3 por ciento de la conductividad del cobre recocido. La dispersión que hay detrás de esa cifra importa más que la propia cifra: Grade 5 se sitúa en 171, con aproximadamente tres veces más resistividad que Grade 2, por lo que la respuesta a si el titanio conduce depende de qué titanio figure en el plano.

Resistividad y conductividad térmica, calidad por calidad

Los valores siguientes son las cifras a temperatura ambiente publicadas en la obra de RMI Titanium Company Guía de aleaciones de titanio (enero de 2000), tomadas de las fichas técnicas por calidad de una única publicación, de modo que las calidades comparten la misma base. La columna de conductividad se calcula a partir de la resistividad respecto al International Annealed Copper Standard, en el que 100 por ciento IACS se define como una resistividad de 1,7241 microohmios-centímetro a 20 grados C. Los números UNS mostrados se indican solo como referencia cruzada. Grade 23 aparece aquí como R56407; R56401 es el número que utiliza ASTM F136 para la forma destinada a implantes quirúrgicos de la misma aleación.

Hay dos cosas en esa tabla que conviene leer dos veces. Grade 12, una aleación a la que se recurre por su comportamiento en salmuera caliente, es la entrada más conductora de la lista, ligeramente por delante de Grade 2 sin alear. Y las dos columnas evolucionan en líneas generales juntas: las aleaciones alfa-beta son peores en ambos aspectos, con Grade 5 en aproximadamente un tercio de Grade 2 tanto eléctrica como térmicamente. Sin embargo, la correspondencia no es exacta fila por fila. Grade 12 tiene la resistividad más baja de la tabla y una conductividad térmica ligeramente inferior a la de Grade 2.

Otro aspecto que conviene leer con atención: estas cifras proceden de una publicación, y los valores publicados para una misma calidad no siempre coinciden. La de Beiyu Titanium ficha técnica de Grade 2 indica de 0.48 a 0.53 microohmios-metro, equivalentes a entre 48 y 53 en las unidades anteriores frente a los 56 de RMI; la ficha de Grade 23 indica de 168 a 175 frente a los 165 de RMI. Grade 5 es la que presenta una coincidencia estrecha, 170 frente a 171. La dispersión se debe a la pureza dentro de la calidad, al estado del producto y a la base de medición, más que a un error de una fuente, y la conductividad térmica se comporta del mismo modo; por eso nuestra propia ficha técnica indica de 16 a 22 W/m·K donde la tabla anterior presenta un único valor de 20.8.

Esa dispersión también es el argumento práctico de esta página. Si una propiedad tan básica varía aproximadamente un diez por ciento entre fuentes publicadas reconocidas, un plano que le imponga un límite necesita un valor medido en el pedido, no un valor de manual copiado de una tabla.

Por qué las calidades aleadas son tres veces peores

El patrón dentro de las calidades sin alear es la primera pista. Grades 1 a 4 se diferencian principalmente por la cantidad de oxígeno y hierro que permite su composición química, y la resistividad sigue en general esa pauta: 54, 56, 56, 60. La tendencia es general, no estricta. ASTM B348 permite más oxígeno en Grade 3 que en Grade 2, 0.35 por ciento frente a 0.25, y sin embargo ambos figuran con 56. Los átomos de impurezas disueltas dispersan los electrones de conducción, que es la explicación habitual del aumento de resistividad con el contenido de intersticiales y hierro, pero no explica diferencias tan pequeñas.

Grade 5 lleva ese mecanismo mucho más lejos. Es titanio con aproximadamente 6 por ciento de aluminio y 4 por ciento de vanadio, un contenido de aleantes aproximadamente un orden de magnitud superior a los niveles residuales que ASTM B348 permite en el titanio CP, cuyos máximos suman aproximadamente 1 por ciento en total, y es bifásico en lugar de monofásico. Grade 23 es la misma aleación con límites más estrictos de elementos intersticiales, y ASTM B348 los cuantifica: oxígeno con un máximo de 0.13 por ciento frente a 0.20 para Grade 5, nitrógeno 0.03 frente a 0.05, hierro 0.25 frente a 0.40. Es un pequeño cambio sobre un contenido elevado de aleantes, y las cifras publicadas son coherentes con ello: Grade 23 se sitúa en 165 frente al valor de Grade 5 de 171, muy lejos de Grade 2. Grade 9, con 126, es el caso intermedio que su composición sugeriría.

La versión práctica: elegir entre Grade 2 y Grade 5 por motivos de resistencia o corrosión también cambia el comportamiento eléctrico y térmico de la pieza por un factor de tres, y ese cambio rara vez se considera al elegir la calidad.

Dónde la conductividad del titanio es la razón de elegirlo y no el problema

Una conductividad baja no es automáticamente una desventaja. Tres aplicaciones que nos plantean los compradores dependen directamente de ella.

El caso del ánodo es al que llegan con más frecuencia los compradores a partir de esta pregunta. Nuestra guía de ánodos de titanio para protección catódica y la guía de ánodos con recubrimiento MMO explican cómo se reparten el trabajo el recubrimiento y el sustrato. Para el aspecto térmico, la página de Grade 2 para intercambiadores de calor trata el espesor de pared.

Lo que no le dirá un certificado de materiales

ASTM B348 para barras y tochos, ASTM B265 para chapas gruesas y chapas finas y ASTM B338 para tubos son las especificaciones conforme a las que se pide la mayoría de los productos de titanio de fábrica. Ninguna especifica resistividad eléctrica ni conductividad térmica. Cubren composición química, propiedades mecánicas y dimensiones, por lo que un certificado emitido conforme a cualquiera de ellas no dirá nada sobre la propiedad de la que trata esta página.

Conviene entender la única aparición de esta palabra, porque es el tipo de detalle que se interpreta mal al leer deprisa. ASTM E1447 es el método que estas especificaciones citan para medir el hidrógeno en la composición química, y su título completo menciona la conductividad térmica y la detección por infrarrojos como medios que utiliza el instrumento para medir el gas. Es una técnica analítica incluida en la lista de referencias, no una propiedad exigida al material. El método para oxígeno y nitrógeno que figura junto a él, ASTM E1409, utiliza fusión en gas inerte sin mencionar conductividad en su título. Tampoco existe un requisito suplementario al que recurrir: los requisitos suplementarios de B265, S1 a S3, abarcan el ensayo de doblado superficial, un límite superior del límite elástico y la planitud, ninguno de ellos eléctrico, mientras que B338 y B348 no contienen ninguna sección de requisitos suplementarios.

Esa es la razón por la que existen y se citan cifras de manual como las anteriores: son valores típicos de la calidad, no valores garantizados para la colada que tiene delante. Para la mayoría de las piezas esa distinción nunca importa. Importa cuando un plano establece un límite de resistividad o conductividad, porque entonces no hay ninguna cláusula en la especificación del material a la que recurrir y la medición debe acordarse en el pedido junto con el método y la temperatura a la que se realiza.

Preguntas complementarias habituales

¿Conduce el titanio la electricidad lo suficientemente bien para utilizarlo como conductor? No. Con aproximadamente 3 por ciento IACS para las calidades CP y 1 por ciento para Grade 5, el titanio es un material estructural y resistente a la corrosión que además conduce, no un conductor. Cuando un componente de titanio debe transportar una corriente significativa, aumentar sus dimensiones para compensar choca con la sección y el peso que se pretendían evitar al elegir la pieza, por lo que el recorrido de corriente suele resolverse por separado de la pieza de titanio.

¿Conducirá el titanio la electricidad a través de su capa de óxido? No con facilidad. La película pasiva de dióxido de titanio que aporta al titanio su resistencia a la corrosión es mala conductora, una de las razones por las que las conexiones eléctricas al titanio se realizan en superficies preparadas y parte del motivo por el que el titanio sin recubrimiento no se utiliza como superficie de trabajo de un ánodo. También explica por qué una medición de resistencia a través de una superficie tal como se recibe puede dar un resultado muy distinto del valor del material en masa.

¿Conviene que la resistividad decida entre titanio y otra aleación? Rara vez. Ni el titanio ni las aleaciones de acero inoxidable y níquel con las que compite son conductores, y las cifras que los separan son pequeñas frente a las diferencias de comportamiento ante la corrosión, resistencia y densidad que normalmente determinan la elección. Cuando la resistividad es realmente la propiedad decisiva, corresponde incluirla en el plano como límite y no en una comparación de materiales.

¿Cambia la resistividad con la temperatura? Sí, y las cifras publicadas anteriormente son valores a temperatura ambiente. Para servicio muy por encima o por debajo de la temperatura ambiente, debe indicarse la temperatura de interés, porque una única cifra a temperatura ambiente no responde a una pregunta sobre alta temperatura.

¿Es el titanio lo bastante conductor para realizar una conexión equipotencial o puesta a tierra de una estructura a través de él? El titanio transportará una corriente de conexión equipotencial, pero hay dos obstáculos que conviene separar. La resistividad del material en masa es el problema menor, con 56 microohmios-centímetro para Grade 2. El mayor es el óxido pasivo en la cara de contacto, cuya resistencia no es en absoluto una propiedad de la calidad y varía según cómo se haya preparado la superficie. Por eso una medición de conexión equipotencial en una superficie tal como se recibe informa sobre la superficie y no sobre el titanio, y por eso la preparación del contacto debe figurar en el plano junto con cualquier límite de resistencia de conexión equipotencial.

¿Es magnético el titanio? No, y es una propiedad distinta con su propio problema de certificado. La página de permeabilidad lo explica.

Detalles de especificación con fuentes

Las cifras de resistividad y conductividad térmica de la tabla son los valores a temperatura ambiente publicados en la obra de RMI Titanium Company Guía de aleaciones de titanio, enero de 2000, en la sección sobre propiedades del titanio comercialmente puro y de las aleaciones de titanio. El valor de Grade 5 de 171 microohmios-centímetro está corroborado de forma independiente por la obra de la NASA Manual de datos de materiales: titanio 6Al-4V preparado bajo el contrato NAS8-26644, que indica una resistividad eléctrica de 171 microhms-cm a 20 grados C en su resumen tabulado. La columna de porcentaje IACS es un cálculo respecto al valor de la norma internacional del cobre recocido de 1.7241 microohmios-centímetro a 20 grados C, no una cifra publicada por separado. Las cifras de comparación citadas frente a las de RMI son las que figuran en las fichas técnicas de Beiyu Titanium para Grade 2, Grade 5 y Grade 23, y se muestran sin intentar conciliarlas porque la discrepancia entre fuentes publicadas es precisamente el tema. Los límites de composición citados para Grade 5 y Grade 23 proceden de la tabla de requisitos químicos de ASTM B348, cuyo alcance abarca barras y tochos de titanio y aleaciones de titanio; las composiciones de aleación de 6 por ciento de aluminio y 4 por ciento de vanadio son las descripciones que la propia B348 da a esas calidades en sus cláusulas de alcance. En cuanto al certificado: ni ASTM B348, ni B265, ni B338 contienen la palabra resistividad en ninguna parte de su texto, y la única aparición de conductividad en cada una está en el título del método de ensayo de hidrógeno citado, ASTM E1447. Las tres establecen requisitos químicos, mecánicos y dimensionales, y nada más.

Qué incluir en la consulta

La resistividad y la conductividad térmica no son datos del certificado en ninguna de las tres especificaciones anteriores. Por tanto, un plano que incluya un límite necesita que la consulta contenga cuatro cosas que un certificado emitido únicamente conforme a esas especificaciones no mostrará: el propio límite, el método de ensayo, la temperatura a la que se realiza la medición y la calidad. Con esos cuatro datos, el ensayo adicional se oferta junto con el material en lugar de aparecer durante la inspección. Los sustratos de ánodos necesitan dos más, el recorrido de corriente y el sistema de recubrimiento, porque estos determinan la sección más que la elección de calidad. Beiyu Titanium suministra titanio en Grade 1, 2, 5, 7, 9, 12 y 23 en forma de barras, chapas gruesas, chapas finas, tubos y piezas forjadas conforme a especificaciones ASTM y AMS, con un certificado de inspección 3.1 según EN 10204 conforme al alcance del pedido. Grades 3 y 4 aparecen en la tabla anterior por la tendencia que muestran entre las calidades sin alear, no como oferta de suministro.