티타늄합금, 타이타늄합금의 특징과 절삭가공

티타늄합금, 타이타늄합금의 특징과 절삭가공

티탄, 티타늄(Ti, 원자번호 22)은 요즘은 타이타늄으로 개명되어 아재들이 쓰는 용어(^^)가 되었지요. 여기서는 아직 산업계에서 많이 사용하는 명칭인 티타늄으로 명칭을 하겠습니다.

순수 티타늄의 비중은 4.51로 철(Fe)의 중량의 60% 정도로 비교적 가벼운 금속입니다. 강도가 크고 내식성이 우수한 금속이기 때문에 알루미늄합금이나 스테인리스강 등 중에서도 우수한 성능을 갖는 금속입니다.

 

1. 티타늄/타이타늄이란?

티탄은 가벼우면서도 고강도이고 외관이 아름답다는 등의 장점을 많이 가진 금속입니다. 그만큼 다른 금속보다 비싸지만, 강도면이나 우수한 내식성, 강도로 다른 금속보다 우수한 측면이 많아, 기계 부품 이외에도 식기나 도마 등의 생활용품의 소재로서도 사용되고 있다고 합니다.
티타늄에는 순도가 99.999% 이상인 순티타늄과 니켈과 같은 다른 금속을 혼합한 티타늄 합금이 있습니다. 티타늄 합금은 순 티타늄보다 강도와 내식성 등이 강화되어 있어 더욱 비싼 비자성 금속입니다.

 

2. 티타늄합금의 특징

1) 가볍다

티타늄 합금은 가벼운 금속으로 스테인리스강의 2/3, 구리의 1/2, 알루미늄 합금의 1.6배 정도의 비중입니다.

항목	티타늄합금	스테인리스강	알루미늄합금	구리
비중	4.43	7.9	2.8	8.9
티타늄합금과의 비교	-	1.78배	0.63배	2배

2) 내식성이 우수하다

티타늄 합금은 내식성이 우수하며 특히 해수와 접촉하는 환경에 강한 금속입니다. 이것은 티타늄의 표면에 형성되는 산화티타늄의 피막이 아주 견고한 것으로, 특히 염소 이온에 대해 뛰어난 내식성을 발휘하기 때문입니다.

 

3) 고강도

티타늄 합금은 기계적 강도가 뛰어나 강한 충격을 받더라도 쉽게 파손되지 않기 때문에 항공기나 로켓, 자전거 등의 부품에도 사용됩니다.

항목	티타늄합금	스테인리스강	알루미늄합금	구리
인장강도 (N/㎟)	999	588	212	213
비강도	225.5	74.4	75.7	23.9

4) 높은 안전성

티타늄 합금은 독성이 없으며 생체 친화성이 높은 금속입니다. 금속 알레르기를 가진 사람의 경우에도 알레르기가 잘 일어나지 않으며, 의료 기기나 체내에 심는 도구에도 사용됩니다. 사람의 몸속 뼈와 거부 반응을 일으키지 않고 결합할 수 있다는 다른 금속에는없는 커다란 특징이 있습니다.

 

5) 열전율이 낮다

티타늄 합금은 열전도율이 낮고 열의 이동이 일어나기 어려운 금속입니다.

 

 

티타늄의 내식성이 우수한 이유

순티탄은 여러 사용환경에서 스테인리스강을 능가하는 뛰어난 내식성을 가지고 있으며, 또한 기계적 성질도 저탄소강 수준입니다. 그렇기 때문에 주로 내식성을 필요로 하는 부재에는 순티탄이 그대로 사용되고 있습니다. 티타늄이 내식성이 뛰어난 이유에는 티타늄이라는 금속이 매우 활성 금속인 것이 관련되어 있는데 티타늄은 산소에 닿으면 산화하고, 일단 산소와 결합하게 되면 산소를 분리하는 것이 매우 어렵다는 특성이 있습니다. 표면에 얇은 티타늄 산화물의 피막(부동태 피막)을 생성할 수 있는 것으로, 피막이 외부로부터 티탄 본체를 보호하는 역할을 합니다. 이 강한 피막이 산소와 부식 환경에 강한 이유입니다.

 

티타늄의 종류에 의한 재료 특성

순티타늄은 JIS 1종, 2종, 3종, 4종으로 나뉩니다. 1종이 가장 부드럽고, 2종, 3종이 보다 단단해집니다. 순도는 1종이 가장 높고 2종, 3종, 4종이 됨에 따라 낮아집니다. 또한 항공기 등에 사용되는 경우가 많은 JIS60종(64합금)은 매우 강도가 높은 반면 가공이 어렵다는 문제점이 있습니다. 이 가공성의 문제에 착안해 개발된 것이 β계의 15-3-3-3 합금 등이며, 64 합금과 거의 동등한 강도를 가지면서, 냉간가공성은 64 합금보다 우수합니다.

 

티타늄의 절삭가공시 문제점

티타늄은 내식성, 내열성, 비강도가 우수한 재료입니다만 뛰어난 특성으로 인해 절삭시 공구 수명이 단축되기 때문에 티타늄은 난삭재로 분류됩니다. 티타늄의 절삭시에 발생하기 쉬운 문제로서는 아래의 5가지 주요 항목을 들 수 있습니다.

 

1) 열전도율이 작기 때문에, 절삭시에 발생한 열이 공구와 가공재에 축적되기 때문에 공구의 마모가 커진다.

2) 화학적으로 활성이기 때문에, 절삭속도가 증가하면 절삭열의 발생이 많아져 절삭부의 온도가 높아지기 때문에 공구의 마모가 커진다.

3) 연속적인 변형에 의해 칩이 생성되기 때문에, 날끝에 가해지는 절삭 저항의 변동이 크고, 날끝이 부족하거나, 크게 마모되기 쉽다.

4) 영률이 작기 때문에 절삭했을 때에 가공재가 크게 변형되기 쉽고, 특히 엷은 제품의 가공에서는, 가공 정밀도의 저하나 채터링이 발생한다.

5) 마모된 공구나 얇은 칩이 나오는 조건으로 절삭했을 경우, 열로 칩이 발화하는 경우가 있다.

 

티타늄 가공 문제에 대한 대책

앞에 기술한 가공상의 문제점이나 가공상의 트러블을 발생시키는 티타늄은 다음과 같이 문제점에 대한 대응책으로서 일반적으로 아래의 4가지 사항을 들 수 있습니다.

1. 절삭 속도 저하
2. 절삭유에 의한 냉각
3. 적정 공구 선택
4. 적정 공작 기계의 선택

티타늄의 특성

융점이 높음

비중은 철의 약 60%

열전도율이 작다

선팽창계수가 작다

영률이 작다

비자성이다

고내력

굽힘이 쉽다

산소나 질소와 반응하기 쉽다.

 

티타늄 가공에서 자주 발생하는 문제

・인장 강도가 높고, 공구에 큰 힘이 걸려 치핑발생

・열전도율이 낮다. 열때문에 공구의 마모가 심해진다

・영률이 작기 때문에 변형하기 쉽고 가공 정밀도가 잘 나오지 않는다

・고 이송이나 공구가 예리하지 않으면 칩이 발화한다