Foto cortesía de Titanium Fabrication Corporation

por James A. McMaster y Barry N. Greene

Muchas especificaciones de materiales de ASTM International fueron redactadas hace décadas. Si bien esas especificaciones han evolucionado, las propiedades mínimas especificadas casi nunca se han modificado desde que se establecieron. Mientras tanto, la industria ha invertido millones de dólares en la actualización de las capacidades para producir un producto mejor y más uniforme. En algunos casos, esos avances podrían justificar la revisión mecánica o química u otros requisitos de especificaciones de ASTM correspondientes.

Un ejemplo de dicha actividad es la reciente adición de las “clases H” a las especificaciones de titanio del Comité B10 sobre Metales y Aleaciones Reactivos y Refractarios de ASTM International.

Este documento trata sobre:

• Los antecedentes que dieron cambio a este cambio particular,
• De qué manera la función tradicional de los productores en el desarrollo de propiedad fue reemplazado por un grupo de usuarios que vio una ventaja económica en el cambio,
• La importancia del proceso de consenso de comités de ASTM y
• Un resumen de los beneficios esperados.

Antecedentes

Los datos que ya tienen 40 a 50 años de antigüedad que se utilizaron para crear las propiedades actuales para el titanio, posiblemente ya no representen material moderno. Los cambios en las prácticas de producción han resultado en una química de material más uniforme que reduce los niveles de elementos residuales cuyo efecto combinado no se entiende por completo. Los productores han aprendido a controlar la química de los lingotes de titanio de una manera tan precisa que su habilidad de lograr resultados constantes y variación en las propiedades ha mejorado considerablemente desde que se establecieron los valores de propiedad de la especificación de titanio de ASTM.

En 1998, una evaluación de aproximadamente 250 informes de pruebas de titanio de clase 2 hallaron que todos los valores de resistencia máxima a la tensión, o UTS por ser las siglas del inglés, superaban 60 ksi (410 MPa), bastante por encima de la especificación mínima de 50 ksi (345 MPa). Los resultados se presentaron ante los productores de titanio con una propuesta de que si esto fuera cierto en una muestra considerablemente más grande, la industria podría producir una ventaja competitiva para el titanio con tan sólo cambiar los UTS mínimos para reflejar lo que de manera habitual ocurría en la práctica1,2. Dado que la resistencia mínima de la American Society of Mechanical Engineers para titanio se controla mediante los valores mínimos, se podría lograr un ahorro considerable en costo del equipo si se pudieran utilizar resistencias más elevadas sobre valores mínimos especificados. Dado que el código ASME se usa como la base para una amplia variedad de equipos industriales, el efecto de dicho cambio sería considerable.

Función del instituto Materials Technology Institute

El Materials Technology Institute, con oficinas generales en San Luis, Mo, es una organización de más de 50 compañías miembro, muchas de las cuales usan, fabrican o manufacturan titanio o equipo de titanio. Los representantes del MTI comprenden a los ejecutivos que toman las decisiones de muchas de las compañías más grandes del mundo en la industria de los químicos y petroquímicos. Cada año el MTI patrocina proyectos de investigación que representan un beneficio considerable para las actividades de ingeniería de materiales de los miembros.

Los representantes de compañías miembros del MTI no tardaron en ver que un aumento en la resistencia a la tensión mínima daría lugar a reducciones en el costo del equipo que producen cada año. Además, los miembros y la reputación del MTI aportaron prestigio al proyecto que era necesario para obtener la cooperación de los productores al nivel mundial así como para obtener reconocimiento de la importancia del proyecto sobre ASTM International, ASME International y otras organizaciones que crean normas.

El estudio más grande, que se comenzó en el 2002 y en conjunto fue patrocinado por el Materials Technology Institute, la International Titanium Association y MC Consulting3, incluyó datos de más de 30 productores de todo el mundo y más de 8,000 puntos de datos. Estos datos demostraron que más del 99.5 por ciento del titanio puro de clase 2 en una base de datos de 5,280 pruebas tenía un UTS considerablemente más elevado que el mínimo de 50 ksi (345 MPAa) en especificaciones existentes, a la vez que abarbada la gama completa de resistencia a la tensión, como se muestra en la figura 1. El estudio también demostró que los productos forjados y fundidos de titanio puro de clases 1, 3 y 4 también tenían valores UTS de manera similar más elevados que lo indicado en especificaciones actuales de ASTM y ASME.

Objetivos del proyecto

El titanio de clase 2 se utiliza ampliamente en el sector industrial de la corrosión y se ha vuelto en la norma de facto para la clase en la mayoría de las aplicaciones. Este singular enfoque ha permitido que la relativamente pequeña industria del titanio ofrezca una amplia variedad de productos fundidos y tamaños, a menudo a partir de titanio puro. Uno de los principales objetivos del proyecto era conservar ese enfoque.

Los objetivos se resumen de la siguiente manera:

• Aprovechar los UTS mínimos más elevados en el Código del ASME y construcción afín.
• Mantener la normalización de la Clase 2 para aplicaciones industriales y generales.
• Mantener la disponibilidad de productos de titanio de gama amplia resultante de la normalización eficaz sobre la Clase 2 para la mayoría de las aplicaciones industriales y generales.
• Minimizar cualquier tendencia de que los productores cambien las formulaciones actuales de los lingotes (es decir, aumentar el contenido de oxígeno o hierro para asegurar el logro de la resistencia más elevada).
• Determinar si se justificaban cambios en otras clases puras, como las Clases 1, 3 y 4.

Propuesta para cambiar los UTS mínimos en especificaciones de titanio de ASTM

El proyecto resultó en una propuesta para el Comité B10 de ASTM de cambiar los UTS mínimos no sólo de la Clase 2 sino también de las otras clases de titanio puro. Fue sorprendente cuánta resistencia hubo. Sin embargo, el proceso de resolver los asuntos es una demostración clara de que el proceso de consenso de ASTM puede producir un mejor resultado. A continuación se enumeran algunos de los problemas presentados por los interesados.

• Había una preocupación de las restricciones adicionales en los requisitos de la especificación conducirían a rechazos innecesarios del producto aunque el control de la química requerido para cumplir el valor propuesto parecía encontrarse fácilmente dentro de la capacidad normal de los productores de lingotes.
• Algunos productores pensaron que el consumo general de titanio se reduciría debido a la disminución en los requisitos de grosor.
• Se pensó que un cambio en los UTS mínimos causaría que los productores reformularan sus materiales para cumplir con las propiedades más elevadas, por lo que perderían algo de ductilidad y fabricabilidad importantes para los usuarios de Clase 2 aunque los datos demostraban que el material por encima de un nivel específico de oxígeno siempre satisface el requisito de 58 ksi (400 MPa) y sólo el material con un nivel inferior de oxígeno (comparable a la Clase 1) que se aplicaba como Clase 2 caía por debajo de 58 ksi (400 MPa).
• El Comité F04 sobre Materiales y Dispositivos Médicos y Quirúrgicos de ASTM, el cual crea normas relacionadas con el titanio para dispositivos médicos, conocidas como “especificaciones F” se preocupaba de que cualquier cambio en las propiedades especificadas debido a que los procesos normativos a los que se tendrían que enfrentar para reconocer un cambio de esta naturaleza sería largo y costoso. Si bien las especificaciones F especifican las propiedades afectadas de manera independiente, esto seguía siendo un factor en resistirse a cambiar los niveles mínimos de las propiedades en las Clases B existentes (Comité B10). (Los requisitos de clase de la especificación F generalmente siguen las clases de las especificaciones B.)

El comité concluyó que no había ningún incentivo comercial para aumentar los UTS de la Clase 1 ya que se utiliza principalmente para revestimiento para explosión o aplicaciones de intercambiadores de placa de calor en las que se requiere la máxima ductilidad y para sustratos de ánodos de cloruro en los que también es deseable una mayor conductividad eléctrica. El Comité B10 reconoció que esta necesidad se atendería mejor reduciendo el límite de elasticidad mínimo especificado para la Clase 1 a un nivel más próximo al menor nivel en la base de datos, lo cual tenía el mismo efecto sobre la relación UTS mínimo:límite de elasticidad de aumentar los UTS de la Clase 2. Esto se complementó añadiendo un requisito que limita el máximo límite de elasticidad a 40 ksi (275 MPa) en lugar de 45 ksi (310 MPa). El comité sugirió evaluar esta situación en cinco años para ver si un cambio general en la producción justificaría hacer obligatorio el límite superior de 40 ksi (275 MPa).

El comité también concluyó que había poco interés en cambiar los UTS mínimos de la Clase 3 porque se usa menos para equipo de presión que la Clase 2, aunque los datos demostraron que se podía hacer. Además, aproximadamente el 30 por ciento del material (en la base de datos) que podía certificarse en ambos aspectos como Clase 2 y 3 en resistencia a la tensión mínima de Clase 3 no cumpliría los UTS más elevados propuestos.

Finalmente, el comité concluyó que no había motivo para cambiar la Clase 4 porque no aparece en el Código ASME.

Como resultado, el comité no aprobó ningún cambio para las Clases 3 o 4.

Las Clases H

Con el fin de responder al interés de los usuarios representado por el estudio del MTI, y para responder a las preocupaciones expresadas, el Subcomité B10.01 de ASTM sobre titanio creó un consenso para agregar el material de 58 ksi (400 MPa) como clase separada, pero lo vinculó a la Clase 2 estándar asignándole una designación de Clase 2H fácilmente correspondiente.

La Clase 2H siempre se puede certificar doble como Clase 2 y en casi todos los casos la Clase 2 satisface los requisitos de la Clase 2H. Dado que se han conservado las clases numéricas, se espera que los productores de lingotes tengan un incentivo mínimo para cambiar las fórmulas de sus fundidos. Conservar las clases numéricas también responde a las preocupaciones de las aplicaciones médicas en las que los cambios de clase en los materiales son muy costosos. La nomenclatura “Clase 2H” se asocia fácilmente con “Clase 2”, minimizando la necesidad de establecer separadamente las clases H como una norma en el mercado.

Esos cambios se incorporaron a la revisión 2006a de las especificaciones de material de titanio forjado. También se sumaron a las especificaciones las contrapartes de la Clase H 7H, 16H y 26H para las Clases 7 (Ti-0.12Pd), 16 (Ti 0.06Pd) y 26 (Ti 0.1Ru).

Impacto estimado de los niveles de resistencia superior

Es difícil calcular exactamente cuánto les ahorrará cada año a los usuarios industriales este cambio. Se espera que el aumento del 16 por ciento a 58 ksi (400 MPa) de 50 ksi (345 MPa) de resistencia a la tensión y el aumento correspondiente en tensión permisible por diseño en ASME reduzca el costo de los equipos en un promedio del 10 al 16 por ciento, suponiendo que la mano de obra y los materiales tienen un costo equivalente. Se calcula que el mercado para el equipo afectado se encuentra alrededor de $100 millones. Por lo tanto, si se implementaran en su totalidad las clases 58 ksi (400 MPa) en los equipos de presión, el ahorro anual podría alcanzar hasta $16 millones, año tras año.

Finalmente, la mayor resistencia responde a la carencia actual de titanio reduciendo la cantidad de material que se requiere para una nave específica. Sin embargo, se espera que el empleo de Clases H resultará en más aplicaciones en las que el titanio es competitivo y con el tiempo resultará un aumento neto en el uso. //

Referencias

1 McMaster, James A., “Is it Time to Modernize the ASTM Specifications for Unalloyed Titanium,” presented at the “Titanium, Its Role, Its Growth and Its Applications in the CPI” session, 49th CPI Exposition, Javits Convention Center, New York, New York, October 23-25, 2001
2 McMaster, James A., “Rationalization of Unalloyed Titanium Material Specifications to Current Production Capabilities Offers Opportunities for the Titanium Industry,” presented at Corrosion 2003, San Diego, California, March 16 to 20, 2003
3 Final Project Report, Phase 1, ASTM Strength Revision Project 151-02, October 15, 2003, Materials Technology Institute of the Chemical Process Industries, Inc., 1215 Fern Ridge Parkway, Suite 116, St. Louis, Missouri 63141-4405