티탄(타이타늄)합금[titanium alloy]

티탄(타이타늄)합금[titanium alloy]

순티탄은 각종 원소를 첨가한 금속재료(☞티탄, 타이타늄).

가볍고 강하고 내식성․내열성에 우수하고 자성이 없는 등의 우수한 특성을 가진다.

1960년부터 항공기엔진 내부에 사용되기 시작한 현재는 신카이6500에 대표되는 해양개발, 우주개발, 자동차 및 팔목시계의 밴드, 안경프레임 등 일반산업용에 그 용도도 확대되는 신소재이다.

순티탄은 약 880℃에 상변태점을 가지고, 그 보다 고온측에서는 체심입방정의 β상, 그 보다 저온측에서는 조밀육방정의 결정구조를 갖는 α상이 안정적이다.

공업용순티탄(commercially pure Ti, 약해서 CPTi)은 순도가 99.0% 이상으로 O, C, N, Fe 등의 미량원소가 포함되고 있다. 그 중에도 O는 강화원소로서 중요한 원소이다. CPTi의 강도레벨은 실온에서 200～500MPa이다. 고강도, 고인성 또는 고내식성 등 용도에 따라 합금화 및 가공열처리에 의한 미세조직의 제어가 이루어진다.

 

티탄합금에는 크게 구별하여 5종류의 합금이 있다. α합금, 니어α합금, α＋β합금, 니어β합금, β합금이다. α합금은 Al 등의 첨가에 의해 변태점을 올려서 고온까지 α상을 안정화시킨 합금으로, 조직이 열적으로 안정되기 때문에 엔진부재 등 내열부재로 쓰이고 있다. β합금은 V, Mo, Nb, Fe 등의 β상 안정화원소를 다량으로 첨가하여 실온에서도 β상이 준안정으로 존재하고, 열처리에 따라 1500～1800MPa까지의 고온도화가 달성 가능하여 실온에서도 90% 부근까지 냉간가공이 가능하기 때문에 고강도 경량부재로서의 용도 확대가 기대되고 있다.

α＋β합금은 α상과 β상의 이상(二相) 혼합조직을 가지고 있는 합금이지만, 제조하기 쉽고 기계적 특성도 우수하므로 그 용도는 넓다.

그 대표로 Ti-6Al-4V가 있고, 실용적으로 제공되고 있는 티탄합금의 60% 이상을 차지하고 있다.

 

티타늄 및 그 합금의 특성과 용도

 

(1) 티타늄과 그 합금
1) Ti의 성질
① 물리적 성질
㉠ 비중(4.45)이 작고 용융점(1670℃)이 강보다 높으며 비열, 열 ․ 도전율이 낮다.
㉡ 약 882℃에서 저온형인 α-Ti(조밀육방)이 β-Ti(체심입방)으로 동소변태한다.
② 기계적 성질
㉠ 전신재에서는 그 집합조직(섬유조직)에 따른 이방성이 나타난다.
㉡ 인장강도
㉮ 인장강도는 약 30kgf/mm2으로 Al이나 탄소강보다도 크다.
㉯ 인장강도
내력 의 비는 0.75~0.85로 상당히 높다.
㉰ Ti의 피로강도는 인장강도값의 50% 이상으로 크다.
③ 화학적 성질
㉠ 내식성
㉮ 질산, 크롬산 등에는 매우 안정하며 각종 유기산에서 내식성이 좋다.
㉯ 산화성 수용액에서는 표면에 안정된 산화티타늄의 보호피막이 생겨 내식성을 가진다.
㉰ 황산, 염산에는 내식성이 좋지 않으며, 국부적 부식인 공식(孔蝕), 극간(隙間)부식을
일으키지 않는다.
㉱ 중성, 환원성환경에도 엑제제의 병용이나 공기의 취입 등으로 안정성을 향상시킨다.

㉡ 고온산화
㉮ 고온에서는 산화피막의 치밀성이 없어져 산소가 피막층을 쉽게 확산되어 내부 금속의
산화가 진행된다.
㉯ Ti은 매우 활성이 커서 고온산화와 환원 제조시의 취급 곤란 원인이 된다.
㉰ 산소, 고온의 공기, CO, CO2에 의해 산화물을 형성한다.
㉢ 내열성도 약 500℃에서는 스테인리스강보다 우수하다.

 

2) Ti합금
① Ti-Mn계 합금
㉠ 실용합금 조성：9.5~9.0%Mn-0.07%N-0.15%C-0.15%H-0.5%Fe-0.3%O로 조성된다.
㉡ 인장강도는 106kgf/mm2, 항복강도는 100kgf/mm2, 연신율은 14%이다.
㉢ 급냉한 후 280~400℃에서 뜨임을 하여 시효경화시킨다(실용합금：α＋β조직이다).
② Ti-Al계 합금
㉠ 비중이 적고 고온에서 내산성이 좋으나 열간가공성이 나쁘다.
㉡ Ti-Al-V합금은 강력 Ti합금이다.
㉢ Ti-Mo-Zr-Sn계 합금은 가공성이 특히 좋고 용접성이 좋다.
㉣ Ti-Mo-Zr계 합금은 강도, 용접성, 가공성, 내식성이 좋다.
㉤ Ti-Cu계 합금은 시효경화성 합금이다.
㉥ Ti-V-Cr-Al계 합금은 가공성, 용접성이 우수하며, 크리프저항 합금으로 사용한다.