티탄, 타이타늄[titanium] & 타이타늄 및 타이타늄합금 전신재 KS 금속재료규격

티탄, 타이타늄[titanium]

은회색의 금속. 원소기호 Ti, 원자번호 22, 원자량 47.88. 티탄의 특징은 가볍고 세다.

 

이 강도를 나타내는 비강도(인장강도/밀도)는 공업용금속 중에서 가장 크다. 밀도는 4.51g/cm3이다. 티탄의 충격값은 기계구조용 특수강에는 미치지 않으나 고력알루미늄합금 등 보다 좋고, 또 강과 같은 저온취성이 없다.

티탄의 피로강도는 크고 부식환경 하에서도 변하지 않는다. 이것은 다른 금속에는 볼 수 없는 우수한 성질이다.

기계적성질은 불순물이나 제조방법, 가공방법에 따라 다르고 질소, 산소, 수소, 탄소 순으로 인장강도와 경도를 증가시키고 신장을 감소시킨다.

 

티탄의 또 하나의 특징은 대부분의 부식환경에 있어서 양호한 부식성을 나타내는 것이다. 특히 질산이나 크롬산 등 산화성이 부식환경에 대해 내식성이 우수하다.

그러나 어느 농도의 염산이나 황산, 플루오르화수소산의 비산화성인 부식환경에는 부식된다. 이 경우는 Ti-0.15% Pd합금이나 Ti-15% Mo-5% Zr합금이 쓰인다. Ti-5% Ta합금은 뜨거운 질산을 다루는 열교환기와 같은 심한 부식환경 하에서 쓰일 수 있다. 바닷물에 대해서는 백금과 같은 정도의 내식성이 있어 18-8스테인리스강보다는 훨씬 우수하다. 이 때문에 일본에서는 주로 내식재료로 순티탄의 전신재가 많고, 미국에서는 항공기용 티탄합금이 많이 생산되고 있다.

결정구조는 882℃ 이하에서 조밀육방정(α상), 그 이상에서 체심입방정(β상)이 안정하다. 이 변태온도와 변태속도는 합금원소를 가하여 변경할 수 있으므로 금속조직을 조정하여 기계적성질을 변화시킬 수 있다. α상을 안정시키는 원소는 알루미늄으로 고용도는 6%나 되고 고용강화하여 내식성을 향상시킨다. 본래 안정상이므로 수백도의 고온에서도 조직변화가 없고 고온강도도 크다, 또 용접성도 양호하다.

β상을 안정시킨 원소는 바나듐이나 니오브, 탄탈, 몰리브덴으로 Ti-13% V- 11% Cr-3% Al합금은 담금질* 그 상태에서는 부드럽고 가공성에 풍부하고 성형 후 시효경화한다. α상과 β상이 공존하는 형의 Ti-6% Al-4V합금은 가공성이 좋고 판이나 봉, 관, 단조품 등 다양한 형상으로 만들어지고 용접성도 좋다.

 

티탄합금은 다량의 수소가스를 흡장시키고 필요할 때 방출한다고 하는 수소흡장합금의 성질이 있다. TiMn1.5, Ti-Zr-Mn- Cr계, FeTi1＋xNby, FeTi1＋xOy 등이 개발되고 있다.

티탄은 이와 같이 우수한 성질을 가진 금속이지만 산소와의 결합력이 세고 정련은 대단히 어려웠다. 최초로 금속티탄을 만든 것은 1910년 미국 GE사의 헌터로 강제봄베 속에서 진공가열하여 사염화티탄을 금속나트륨으로 환원하였다. 당시 티탄은 6000℃ 정도의 녹는점을 가지는 것으로 알려지고 있는데, 전구의 필라멘트에 사용하고자 한 것이 1800℃ 정도에서 녹아버린다는 것을 알고부터 연구는 중단되었다.

 

1925년에 반아르켈은 사요오드화티탄을 고온진공 속에서 열분해시켜 단체의 고순도티탄을 얻었다. 공업적으로 생산하는 방법은 1940년에 크롤이 발명한 크롤법으로 불리우고 있다. 강제반응용기에 고순도의 마그네슘을 넣어 내부를 진공으로 한 후 비활성가스를 충전한다. 여기에 사염화티탄을 적하하면 환원되어 스펀지티탄*을 얻는다. 사염화티탄은 루틸석이나 고티탄슬래그, 합성루틸을 원료로 하고 약 1000℃의 유동로 중에서 염소와 반응시켜서 만들어진다(☞경금속제련).

 

티탄은 활성인 금속으로 녹는점도 1668 ℃로 대형의 잉곳을 만드는 것은 도가니의 재질이나 열원에 연구가 필요하다. 크롤은 비활성가스 피복 하에서 전극을 녹인 아크용접법의 원리를 응용하여 구리제의 수냉주형을 이용하고, 스펀지티탄을 압축성형하여 만든 전극과 주형의 바닥 사이에 진공 또는 비활성기스를 분위기 하에서 아크를 날리고, 그 열로 티탄전극을 용해하여 수냉주형에 순차 응고시키는 방법을 개발하였다. 또 노저(爐底)를 응고한 티탄으로 덮이는 스칼용접법이나 고주파로를 이용하여 전자기적으로 부유용해시키는 콜드크루시블법이 있고 정밀주조가 이루어지고 있다.

 

타이타늄 및 타이타늄합금 전신재 KS 금속재료규격

KS 규격	명칭	분류 및 종별		기호	인장강도 N/㎟	주요 용도 및 특징
D 3851	티탄 팔라듐합금 선	11종		TW 270 Pd	270 ~ 410	내식성, 특히 틈새 내식성 양호 화학장치, 석유정제 장치, 펄프제지 공업장치 등
		12종		TW 340 Pd	340 ~ 510
		13종		TW 480 Pd	480 ~ 620
KS D 6026	티타늄 및 티타늄합금 주물	2종		TC340	340 이상	내식성, 특히 내해수성 양호 화학 장치, 석유 정제 장치, 펄프 제지 공업 장치 등
		3종		TC480	480 이상
		12종		TC340Pd	340 이상	내식성, 특히 내틈새 부식성 양호 화학 장치, 석유 정제 장치, 펄프 제지 공업 장치 등
		13종		TC480Pd	480 이상
		60종		TAC6400	895 이상	고강도로 내식성 양호 화학 공업, 기계 공업, 수송 기기 등의 구조재. 예를 들면 고압 반응조 장치, 고압 수송 장치, 레저용품 등
KS D 6726	배관용 티탄 팔라듐합금 관	1종	이음매 없는 관	TTP 28 Pd E	275 ~ 412	내식성, 특히 틈새 내식성 양호 화학장치, 석유정제장치, 펄프제지 공업장치 등
				TTP 28 Pd D
			용접관	TTP 28 Pd W
				TTP 28 Pd WD
		2종	이음매 없는 관	TTP 35 Pd E	343 ~ 510
				TTP 35 Pd D
			용접관	TTP 35 Pd W
				TTP 35 Pd WD
		3종	이음매 없는 관	TTP 49 Pd E	481 ~ 618
				TTP 49 Pd D
			용접관	TTP 49 Pd W
				TTP 49 Pd WD
KS D 7203	냉간 압조용 붕소강-선	1종		SWCHB 223	610 이하	볼트, 너트, 리벳, 작은 나사, 태핑 나사 등의 나사류 및 각종 부품(인장도는 DA 공정에 의한 선의 기계적 성질)
		2종		SWCHB 237	670 이하
		3종		SWCHB 320	600 이하
		4종		SWCHB 323	610 이하
		5종		SWCHB 331	630 이하
		6종		SWCHB 334	650 이하
		7종		SWCHB 420	600 이하
		8종		SWCHB 526	650 이하
		9종		SWCHB 620	630 이하
		10종		SWCHB 623	640 이하
		11종		SWCHB 726	650 이하
		12종		SWCHB 734	680 이하

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.
㉯ 내력/인장강도 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.