티타늄 및 티타늄 합금의 과거, 현재, 미래
1. 티타늄 금속의 원천
티타늄 금속은 1791년 영국의 아마추어 광물학자인 Gregor에 의해 처음 발견되었습니다. 1795년에 독일의 화학자 Klaprus는 이 알려지지 않은 금속 물질을 그리스 신 타이탄의 이름을 따서 명명했습니다. "티타늄"에 대한 중국어-영어 번역입니다. 티타늄은 지구상에 풍부합니다. 알려진 티타늄 광물은 140가지가 넘지만 산업용으로 사용되는 것은 주로 티탄철석과 금홍석입니다. 그 중 중국의 일메나이트 매장량은 전 세계 매장량의 28%를 차지해 세계 1위를 차지하고 있다.
티타늄은 세계적으로 인정받는 무독성 원소이지만 채굴 및 생산 비용이 높고 비쌉니다. 고온 및 저온 저항, 강한 산 및 알칼리 저항, 고강도 및 저밀도와 같은 일련의 자격으로 인해 NASA의 동일한 로켓 및 위성의 특수 재료가되었으며 다음과 같은 슈퍼 프로젝트에도 사용되었습니다. 우리나라의 Yutu, J-20 및 Shandong 항공모함입니다. 1980년대 민간분야에 진출한 뒤 천연 항균, 친생성 특성으로 식품산업계 '명예 금속왕'으로 자리매김했다.
우리나라의 티타늄 산업은 1950년대에 시작되었습니다. 중반-1960 에 우리나라는 Zunyi와 Baoji에 각각 스폰지 티타늄과 티타늄 가공 공장을 건설했는데, 이는 중국이 세계 티타늄 산업 강국 중 하나가 되었음을 의미합니다. 21세기에 들어 우리나라 티타늄 산업은 새로운 발전 가속화 시대에 접어들었고 티타늄 생산 능력은 세계 최고 수준에 이르렀습니다.
2. 순수 티타늄과 티타늄 합금의 차이점
순수 티타늄:
또는 공업용 순수티타늄, 상업용 순수티타늄이라고도 하며 불순물 원소의 함유량에 따라 등급이 매겨집니다. 스탬핑 가공 성능과 용접 성능이 뛰어나고 열처리 및 구조 유형에 둔감하며 만족스러운 소성 조건에서 일정한 강도를 갖습니다. 그 강도는 주로 침입형 원소인 산소와 질소의 함량에 따라 달라집니다. 99.5% 공업용 순수 티타늄의 특성은 다음과 같습니다: 밀도 P=4.5g/cm3, 녹는점 1800도, 열 전도성 λ=15.24W/(MK), 인장 강도 σ b{{8} }MPa, 신율: δ=25%, 면적 감소 ψ=25%, 탄성 계수 E=1.078×105MPa, 경도 HB195.
티타늄 합금:
티타늄 합금은 티타늄과 기타 원소로 구성된 합금입니다. 비교적 젊은 금속으로, 발견된 지 불과 60~70년밖에 되지 않는 역사를 갖고 있다. 티타늄 합금 소재는 경량, 고강도, 저탄성, 고온 저항, 내식성 등의 특성을 갖고 있으며 주로 항공기 엔진, 로켓, 미사일 및 기타 부품에 사용됩니다. 티타늄에는 두 종류의 동소체 결정이 있습니다. 티타늄은 녹는점이 1720도인 이성질체로, 882도보다 낮으면 티타늄이라고 불리는 조밀한 육각형 결정 격자 구조를 갖는다. 882도 이상에서는 체심입니다. B 티타늄이라고 불리는 입방 격자 구조는 위의 두 티타늄 구조의 서로 다른 특성을 활용하고 적절한 합금 원소를 첨가하여 상전이 온도와 상 함량을 점진적으로 변화시켜 티타늄 합금을 얻습니다. (이타늄 합금) 구조가 다릅니다.
티타늄 합금 원소는 상전이온도에 미치는 영향에 따라 세 가지로 분류할 수 있다. ① α상을 안정시키고 상전이온도를 높이는 원소는 알루미늄, 마그네슘, 산소, 질소 등의 안정원소이다. 그 중 알루미늄은 티타늄 합금의 주요 합금 원소로 상온 및 고온에서 합금의 강도를 향상시키고 비중을 낮추며 탄성률을 높이는 데 명백한 효과가 있습니다. ② B상을 안정시키고 상전이온도를 낮추는 원소는 B안정원소이다. 또한 등결정(isocrystal)과 공석(eutectoid)으로 나눌 수 있다. 전자에는 몰리브덴, 니오븀, 바나듐 등이 포함됩니다. 후자에는 크롬, 망간, 구리, 실리콘 등이 포함됩니다. ③ 상전이 온도에 거의 영향을 미치지 않는 원소는 지르코늄, 주석과 같은 중성 원소입니다.
TA1(미국 표준 Gr1)
TA1(Gr1) 티타늄은 4가지 상업적 순수 티타늄 등급 중 첫 번째 등급입니다. 이 등급 중 가장 부드럽고 유연성이 가장 좋습니다. 최대 성형성, 우수한 내식성 및 높은 충격 인성을 갖추고 있습니다. TA1 등급은 성형 용이성을 요구하는 모든 응용 분야에 선택되는 재료이며 일반적으로 티타늄 시트 및 티타늄 튜빙으로 제공됩니다.
TA2(미국 표준 Gr2) 등급
다양한 가용성과 광범위한 가용성으로 인해 TA2 등급 티타늄은 상업용 순수 티타늄 산업의 "일꾼"으로 알려져 있습니다. TA1 등급 티타늄과 품질은 동일하지만 약간 더 강합니다. 둘 다 부식에 똑같이 강합니다. 이 등급은 용접성, 강도, 연성 및 성형성이 우수합니다. 이로 인해 TA2 등급 티타늄 로드 및 플레이트는 건설, 발전, 의료 산업 등의 다양한 응용 분야에서 가장 먼저 선택됩니다.
TA3(미국 표준 Gr3) 등급
이 등급은 최소한 상업적으로 순수한 티타늄 등급을 사용하지만, 그렇다고 해서 가치가 떨어지는 것은 아닙니다. TA3 등급은 TA1 및 TA2 등급보다 강하며 연성은 비슷하고 성형성은 약간 낮지만 이전 등급보다 기계적 특성이 더 높습니다. TA3 등급은 항공우주, 화학 처리, 해양 산업 등과 같이 적당한 강도와 1차 내식성을 요구하는 응용 분야에 사용됩니다.
TA4(미국 표준 Gr4) 등급
TA4 등급은 상업적으로 순수한 4가지 티타늄 중 가장 강한 등급으로 간주됩니다. 또한 내식성, 성형성, 용접성이 우수한 것으로 알려져 있습니다. 일부 기체 구성 요소, 극저온 용기, 열 교환기 및 고해상도가 필요한 기타 응용 분야에 사용됩니다.
TA9(미국 표준 Gr7) 등급
TA9 등급은 합금으로 만들기 위해 삽입형 원소 팔라듐이 추가된다는 점을 제외하면 TA2 등급과 기계적, 물리적으로 동일합니다. 7등급은 용접성과 특성이 뛰어나며 모든 티타늄 합금 중에서 내식성이 가장 뛰어납니다. 실제로, 환원산 중에서 내식성이 가장 뛰어납니다. TA9 등급은 화학 공정 및 생산 장비 부품에 사용됩니다. TA9는 특히 환원성 산성 환경에서 매우 강한 내식성을 갖고 있습니다.
TA9-1(미국 표준 Gr11) 등급
TA9-1 등급은 내식성을 높이기 위해 소량의 팔라듐을 첨가하여 합금으로 만든 점을 제외하면 TA1 등급과 매우 유사합니다. 이러한 내식성은 염화물 환경에서 틈새 부식을 방지하고 산을 감소시키는 데 사용될 수 있습니다. 다른 유용한 특성으로는 최적의 연성, 냉간 성형성, 유용한 강도, 충격 인성 및 우수한 용접성이 있습니다. 이 합금은 특히 부식이 필요한 곳에서 1등급과 동일한 티타늄 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
Ti 6Al-4V(국가 표준 TC4, 미국 표준 Gr5 등
5등급 티타늄 시트, 5등급 티타늄 판, 5등급 티타늄 주괴)
티타늄 합금의 "주력"으로 알려진 Ti 6Al-4V 또는 5등급 티타늄은 모든 티타늄 합금 중에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 이는 전세계 티타늄 소비량의 50%를 차지합니다. 유용성은 많은 이점에 있습니다. Ti 6Al-4V는 열처리를 통해 강도를 높일 수 있습니다. 최대 600°F의 사용 온도에서 용접 구조에 사용할 수 있습니다. 이 합금은 경량, 유용한 성형성 및 높은 내식성을 위한 높은 강도를 가지고 있습니다. Ti 6AI-4V의 가용성으로 인해 이 합금은 항공우주, 의료, 해양 및 화학 처리 산업과 같은 여러 산업에서 사용하기에 최적의 합금이 되었습니다. 다음과 같은 기술 콘텐츠를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
• 항공기 터빈
• 엔진 구성요소
• 항공기 구조 부품
• 항공우주 패스너
• 고성능 자동부품
• 해양 애플리케이션
• 스포츠 장비
Ti-6AL-4V ELI 티타늄 바(국가 표준 TC4ELI, 미국 표준 Gr23) 등급
Ti 6AL-4V ELI 또는 TC4ELI 등급은 Ti 6Al-4V의 순도가 더 높은 형태입니다. 코일, 연선, 와이어 또는 플랫 와이어로 만들 수 있습니다. 고강도, 경량, 우수한 내식성 및 높은 인성이 요구되는 모든 곳에서 첫 번째 선택입니다. 다른 합금에 대한 내손상성이 우수합니다. 이러한 장점으로 인해 TC4ELI 등급은 최고의 치과용 및 의료용 티타늄 등급이 되었습니다. 생체 적합성, 우수한 피로 강도 및 낮은 모듈러스로 인해 이식 가능한 부품과 같은 생체 의학 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 또한 다음과 같은 세부적인 수술 절차에도 사용할 수 있습니다.
• 정형외과용 핀 및 나사
• 정형외과용 케이블
• 합자 클립
• 수술적 이식
• 치아 교정 장치
• 관절 교체 중
• 극저온 용기
• 뼈 고정 장치
TA10(미국 표준 Gr12) 등급
TA10 등급 티타늄은 고품질 용접성으로 인해 "우수" 등급을 받았습니다. 고온에서 뛰어난 강도를 제공하는 내구성이 뛰어난 합금입니다. TA10 등급 티타늄은 300 시리즈 스테인레스강과 유사한 특성을 가지고 있습니다. 합금은 프레스 성형, 하이드로포밍, 스트레치 성형 또는 드롭 웨이트를 사용하여 열간 또는 냉간 성형될 수 있습니다. 다양한 방식으로 형성할 수 있는 능력으로 인해 많은 응용 분야에서 유용하게 사용됩니다. 이 합금의 높은 내식성은 또한 틈새 부식이 우려되는 제조 장비에 매우 중요합니다. TA10 등급은 다음 산업 및 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.
• 쉘 및 열교환기
• 습식제련 응용
• 고온 화학제품 제조
• 해상 화물 및 항공 부품
Ti 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn은 비열처리 합금으로 우수한 용접성과 안정성을 얻을 수 있습니다. 또한 고온 안정성, 고강도, 내식성 및 크리프 저항성이 우수합니다. 크리프(Creep)란 고온에서 장시간 동안 발생하는 소성변형 현상을 말한다. Ti 5Al-2.5Sn은 주로 항공기 및 기체 응용 분야와 극저온 응용 분야에 사용됩니다.
