금속재료-Ti과 그 합금강

금속재료-Ti과 그 합금강

 

용어

- 티타늄 : 영어 titanium 타이테이니엄

- 티탄 : 독일어: Titan 티탄

- Ti : 라틴어, titanium 티타니움

- 원자 번호 : 22

 

특징

- 가볍고 단단하고 내부식성이 있는 전이금속 원소

- 은백색의 금속 광택

- 뛰어난 내식성과 낮은 비중(강철 대비 무게 60% 밖에 되지 않음

- 물리적, 화학적 성질은 지르코늄과 비슷함

 

용도

: 순수한 타이타늄은 낮은 물성치로 인해 강한 내식성이 요구 되는 곳을 제외하곤 대부분 합금사용

: 이산화 타이타늄은 흰색 안료의 재료로, 페인트.

 

광석

티탄철석과 금홍석

두 가지 동소체과 다섯 가지 자연 동위원소로 발견됨 → ⁴⁸Ti

Ti의 역사

1791년 영국 아마추어 지질학자이자 목사인 William Gregor이 의해 강가의 하천에서 타이타늄를 발견하고 ‘Manaccin’으로 명명

1795년 독일의 Martin H. Klaproth이 Rutile(금홍석)에서 타이타늄을 발견하고 ‘Titan명명

1797년 두 사람이 발견한 원소동일, 영국→ ‘Titanium’ 독일→ ‘Titan’

 

상용화

지각구성 금속원소 중 4번째로 매장량이 풍부함

: 사용량이 적은 주요 원인

- TiO₂가 주성분인 타이타늄 광물을 제련하기가 어려움

- TiO₂는 열역학적으로 매우 안정함(하여 환원하기가 어려우며 또한

- O, C, N, H 친화력이 매우 큼 → 순수한 금속을 얻기 어렵움

- TiO₂를 직접 환원하여 순수한 타이타늄 금속을 얻는 것이 불가능

 

제련법

1910년 : M.A. Hunter(미)→철제 용기 내에서 TiCl₄를 Na으로 환원하여 제련성공(Hunter Process)

1932년 : W.J. Kroll(룩)→ TiCl₄와 Ca을 반응시켜 타이타늄을 얻음

1937년 : TiCl₄를 Ar속에서 Mg으로 환원하여 스폰지 타이타늄 얻음 →  Kroll법의 시초

: Kroll법 → 미국광산국의 추진에 따른 상용화됨

1948년 : 듀폰사 최초로 타이타늄을 상업적으로 생산

 

합금 종류

: 타이타늄 합금은 실온의 결정 구조에 의해 4가지 종류로 구분

: 시중에서는 ASTM 기준 등급으로 구분

 

결정 구조에 따른 종류

1) 순수타이타늄

: 낮은 강도이나 강한 내식성이 요구 되는 곳에 사용.

 

2) α 합금

: 상온강도가 낮으나 저온 안정상 → 수 백도의 고온에서 취약한 상이 석출 안됨 → 내열 티탄합금의 기본

: Al, Sn, Zr을 첨가하여 α상을 고용 강화한 단일상(β합금에 비해 가공성은 떨어짐)

 

3) α-β 합금

: Ti-6Al-4V이 대표적인 합금 → 가장 널리 사용 되는 합금

: 강도 → 122~97kgf/㎟ 정도

: 높은 인성, 소성 가공성, 용접성, 주조성 좋음 → 사용하기 쉽고 신뢰성이 큰 합금

 

4) β 합금

: V, Mo등의 β안정화 원소가 다량으로 첨가되는 합금

: 용체화 처리 및 시효로 130 kgf/㎟ 이상의 고강도를 얻음 → 가공어려움

 

미국재료시험협회 기준 등급

Grade1	순수타이타늄	pure titanium
Grade2	``	``
Grade3	``	``
Grade4	``	``
Grade5	합금	Ti-6Al-4V
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...	``	...
Grade28	``	Ti-3Al-5V-0.1Ru (Grade 9 with Ru)
...	``	...
...	``	...

 

 

일반적 특징

: 비중이 작아 가볍다 → 철의 절반 정도의 무게로 철과 유사한 강도.

: 우수한 내식성 → 상온의 물, 공기 중에서 부동태피막 형성(Au, Pt 다음으로 내식성 우수)

: 녹는점 → 1668℃ → 완전한 주괴 제작 곤란함

 

: 고온 → 급격히 산화 → 열간가공과 용접이 곤란함 → 높은 항복 응력 → 냉간가공 어려움

: 상온 → 안정한 산화피막이 생김 → 부식을 방지

: 600℃ 이상의 고온 → 반응성 좋음 → O₂, N₂, H₂ 으로 오염 → 내식성을 저하

→ 용착 금속내부에 다공성 등의 결함을 발생 → 내식성 및 기계적 성질저하