티타늄 합금, 순수 티타늄의 특성과 종류, 용도에 대하여 알아보자

티타늄 합금, 순수 티타늄의 특성과 종류, 용도에 대하여 알아보자

가볍고 강도가 우수한 티타늄 합금

티타늄은 비철금속 중 실용화된 것은 비교적 새로운 소재로 최근 급속히 이용되고 있는 재료 중 하나입니다.

 

티타늄을 특색짓는 가장 큰 장점은 뭐니뭐니해도 가볍고 강한, 즉 '비강도의 높이'에 있습니다.

 

비강도란 밀도 근처의 인장 강도를 나타내는 지표로,

값이 크면 클수록 가벼운 것에 비해 강도가 높다는 것입니다.

 

비철금속 중에서는 톱 클래스라고 할 수 있습니다.

 

티타늄의 내식성

또한 이 강도와 가벼움 외에 내식성, 내열성이 뛰어난 소재입니다.

 

내식성에 대해서는, 특히 내해수성(백금에도 필적하기 때문에, 

해수에 대해서는 특히 강한 금속입니다)도 가지고 있어 

해수에서의 사용이 상정된 장치에도 자주 사용됩니다.

부식에 강한 이유는 알루미늄이나 스테인리스와 마찬가지로 금속의 표층면에 얇게

나노 단위의 산화피막이 보호막으로 형성되어 있기 때문입니다.

 

이것도 손상되면 산소와 반응하여 복구되지만 산소가 없거나

강한 환원이 일어나는 환경이나 약제에 대해서는 손상된 산화피막이 재생되지 못하고 부식됩니다.

 

따라서 산화성 산인 질산이나 염소 이온을 포함한 환경에서는

엄청나게 부식에 강해지지만 환원성 산(염산, 황산, 인산)에서는 부식되기 쉽습니다.

 

다른 금속과 마찬가지로 특정 첨가 원소를 넣은 티타늄 합금 중에는 이러한 위크 포인트를 개선한 것도 있습니다.

 

티타늄의 내열성, 저온인성

내열성에 대해서는 마찬가지로 비강도가 높은 알루미늄 합금이 

200℃ 전후에서 급속히 강도를 저하시켜 가는 것에 비해, 

티타늄 합금의 경우는 500℃까지는 스테인리스도 웃도는 기계적 강도를 나타냅니다.

 

롤스로이스등의 항공기 엔진 메이커가 이 재료를 채용하고 있는 것은, 

경량화를 도모하기 위한 비강도 외에, 이 내열성도 관계하고 있습니다.

 

금속 재료 중에는, 극저온화로 「저온 취성」에 의해 금속 조직이 약해져,

강도를 유지할 수 없게 되는 소재도 많습니다만, 티타늄에 대해서는 상당히 강한 저온 인성을 가지고 있어,

이러한 극저온의 환경하에서도 사용에 견딜 수 있는 재료 후보의 하나라고 말할 수 있습니다.

 

티타늄 합금, 순수 티타늄의 종류

티타늄에는 크게 나누면 '순티타늄'(JIS에서는 4종류)과 '티타늄 합금'이 있습니다.

 

전자는 상업적으로 순도가 높다는 뜻, Commercially Pure Titanium을 줄여서 

CP 티타늄이라고도 합니다.

 

티타늄은 다른 금속계 재료에 비해 적은 ppm 단위의 불순물이 특성에 크게 영향을 미치는 금속입니다.

종류별로 엄밀한 규격이 정해져 있습니다.

티타늄 합금에는 '내식성'의 향상을 주목적으로 한 것과 '기계적인 강도' 

'가공성'의 향상을 주목적으로 한 것으로 나뉩니다.

 

일반적으로 내식성을 향상시킨 것은 순수 티타늄에 약간의 첨가 원소를 첨가한 것이며, 

강도나 가공성·용접성도 이에 준한 것이 되기 때문에 티타늄 합금은 후자의 타입을 나타내는 경우가 많습니다.

 

티타늄 합금의 종류는 5가지 타입

티타늄도 금속이며 내부에 고유한 결정 구조를 가집니다.이 조직으로부터, 아래의 표의 5 패턴으로 분류할 수 있습니다.

α합금(조직)니어α조직α-β합금(조직)니어β조직β합금(조직) 밀도→크다(β조직이 많아지면 높아진다) 성형성, 가공성 → 좋아짐(β조직이 많아지면 양호하게) 강도→높아지다(β조직이 많아지면 올라간다) 파괴인성→높아지다(β조직이 많아지면 올라간다)강해지는←고온강도(α조직이 많아지면 올라간다) 좋아진다←용접성(α조직이 많아지면 좋아짐) 큰←영률(α조직이 많아지면 커진다) 

α합금(조직)	니어α조직	α-β합금(조직)	니어β조직	β합금(조직)
내식성이 특히 뛰어납니다.용접성, 크리프 특성 등 고온 환경이 영향을 미치는 지표에서도 뛰어난 값을 나타내는 티타늄 합금입니다.내열성(고온하에서의 내산화성)이 요구되는 환경하에서의 사용이나 반대로 극저온등에서도 취성 파괴를 일으키기 어렵고 연성이나 인성이 풍부해, 실용화되고 있습니다.열처리에 의해 강도의 향상은 기대할 수 없습니다.	α 합금에 가까운 조직을 가지고 있지만 α-β 합금과 α 합금의 중간적인 존재입니다.	α 합금과 β 합금이 갖는 특성, 특히 연성과 강도를 균형 있게 조합한 2상계입니다.티타늄 합금의 대표격으로 연성, 인성, 가공성, 용접성, 강도에서 밸런스가 좋은 높이를 가집니다.내식성이 뛰어납니다.	β 합금에 가까운 조직을 가지고 있지만 α-β 합금과 β 합금의 중간적인 존재입니다.	티타늄 합금 중에서도 가장 강도가 뛰어납니다.원래 강도가 높은 타입이지만, 용체화 시효 처리에 의해 더욱 고강도가 됩니다.내식성을 향상시킨 타입도 있습니다.가공성이 뛰어난 티타늄 합금입니다.

 

녹는점	약 1668℃
비중	4.5
세로 탄성  계수	108500N/mm2
전기 저항	55μΩ・cm
선팽창계수	8.4x10-6/℃
자성	비자성 때문에 자석에 붙지 않습니다.

티타늄 합금별 목록

1종(순티타늄,TP270:판,TR270:조,TP270:관,TB270:봉,TW270:선)
2종 (순티타늄, TP340: 판, TR340: 조, TTP340: 관, TB340: 봉, TW340: 선)
3종(순티타늄, TP480:판, TR480:조, TTP480:관, TB480:봉, TW480:선)
4종(순티타늄, TP550: 판, TR550: 조, TTP550: 관, TB550: 봉)
11종(내식티타늄합금,TP270Pd:판,TR270Pd:조,TP270Pd:관,TB270Pd:봉,TW270Pd:선)
12종(내식 티타늄 합금, TP340Pd:판, TR340Pd:조, TTP340Pd:관, TB340Pd:봉, TW340Pd:선)
13종(내식 티타늄 합금, TP480Pd:판, TR480Pd:조, TTP480Pd:관, TB480Pd:봉, TW480Pd:선)
14종(내식 티타늄 합금, TP345NPRC: 판, TR345NPRC: 조, TTP345NPRC: 관, TB345NPRC: 봉, TW345NPRC: 선)
15종(내식 티타늄 합금, TP450NPRC: 판, TR450NPRC: 조, TTP450NPRC: 관, TB450NPRC: 봉, TW450NPRC: 선)
16종(내식 티타늄 합금, TP343Ta: 판, TR343Ta: 조, TTP343Ta: 관, TB343Ta: 봉, TW343Ta: 선)
17종(내식티타늄합금,TP240Pd:판,TR240Pd:조,TTP240Pd:관,TB240Pd:봉,TW240Pd:선)
18종(내식티타늄합금,TP345Pd:판,TR345Pd:조,TP345Pd:관,TB345Pd:봉,TW345Pd:선)
19종(내식 티타늄 합금, TP345PCo: 판, TR345PCo: 조, TTP345PCo: 관, TB345PCo: 봉, TW345PCo: 선)
20종(내식 티타늄 합금, TP450PCo: 판, TR450PCo: 조, TTP450PCo: 관, TB450PCo: 봉, TW450PCo: 선)
21종(내식 티타늄 합금, TP275RN: 판, TR275RN: 조, TTP275RN: 관, TB275RN: 봉, TW275RN: 선)
22종(내식 티타늄 합금, TP410RN:판, TR410RN:조, TTP410RN:관, TB410RN:봉, TW410RN:선)
23종(내식 티타늄 합금, TP483RN: 판, TR483RN: 조, TTP483RN: 관, TB483RN: 봉, TW483RN: 선)
50종(α 합금, Ti-1.5Al, TAP1500: 판, TAR1500: 조, TATP1500: 관, TAB1500: 봉, TAW1500: 선)
60종(α-β합금, Ti-6Al-4V, TAP6400H : 판, TAB6400H : 봉)
60E종(α-β합금, Ti-6Al-4VELI, TAP6400EH : 판, TAB6400EHa : 봉)
61종(α-β합금, Ti-3Al-2.5V, TAP3250: 판, TAR3250: 조, TAT3250: 관, TAB3250H: 봉, TAW3250: 선)
61F종(α-β합금, 절삭성이 양호한 Ti-3Al-2.5V, TAP3250F H:판,TAB3250F H:봉,TAW3250F:선)
80종 (β합금, Ti-4Al-22V, TAP4220: 판, TAR4220: 조, TAB4220H: 봉, TAW4220: 선)

 

티타늄 단조품

1종(순티타늄,TF270)
2종(순티타늄,TF340)
3종(순티타늄,TF480)
4종(순티타늄,TF550)
11종(내식티타늄합금,TF270Pd)
12종(내식티타늄합금,TF340Pd)
13종 (내식티타늄합금,TF480Pd)
14종(내식 티타늄 합금, TF345NPRC)
15종(내식티타늄합금,TF450NPRC)
16종(내식티타늄합금,TF343Ta)
17종(내식티타늄합금,TF240Pd)
18종 (내식 티타늄 합금, TF345Pd)
19종(내식티타늄합금,TF345PCo)
20종(내식티타늄합금,TF450PCo)
21종 (내식 티타늄 합금, TF275RN)
22종 (내식티타늄합금,TF410RN)
23종(내식티타늄합금,TF483RN)
50종(α 합금, Ti-1.5Al, TAF1500)
60종 (α-β 합금, Ti-6Al-4V, TAF6400)
60E종 (α-β 합금, Ti-6Al-4VELI, TAF6400E)
61종 (α-β 합금, Ti-3Al-2.5V, TAF3250)
61F종(α-β합금, 절삭성이 양호한 Ti-3Al-2.5V, TAF3250F)
80종 (β 합금, Ti-4Al-22V, TAF4220)

티타늄 주물

2종(TC340)

TC340은 순수 티타늄인 2종의 주물 재료입니다.

 

숫자 340은 강도상의 최소 인장강도를 나타내고 있으며, 

그 밖에 내력이나 신장, 경도 등의 값에 대해 규정되어 있습니다.

 

순수 티타늄은 티타늄 합금에 비해 강도면이 뒤떨어지지만, 

내식성이나 내해수성 등 티타늄 금속 본래가 가지는 특성이 뛰어납니다.

2종은 1종 정도로 순수 티타늄으로서의 성능이 짙게 나오지 않은 대신 강도가 높아지고 있어 

순수 티타늄으로서의 성질은 갖고 싶지만 강도도 그럭저럭 필요하다고 할 때 편리합니다.

용도로는 화학장치나 펄프제지공업장치, 석유정제장치 등이 있습니다.

3종(TC480)

TC480은 티타늄 재료 중 순수 티타늄 주조 재료로 분류되는 JIS의 규격 재료입니다.

일명 티타늄 3종이라고도 합니다.

 

내식성, 내해수성이 우수한 등급이지만 강도면 향상에 역점을 두고 있어 

최소 인장강도가 480MPa 이상입니다.

 

화학플랜트 등을 비롯한 각 설비의 화학장치 등에서의 용도가 있습니다.

 

강도를 높이면 필연적으로 티타늄의 순도가 떨어지는데, 

순수 티타늄의 등급이기 때문에 양측의 균형을 맞추고 있는 재료라고 할 수 있습니다.

12종(TC340Pd)

TC340Pd는 주물 티타늄 합금의 등급 중 하나로 성분에 팔라듐이 첨가되어 있습니다.

내식 티타늄 합금의 분류에 들어가 JIS에서는 12종이라고도 불립니다.

 

명칭과 같이 내식성이 우수하며, 특히 내부 틈새 부식성이 높은 사양입니다.

용도로는 화학장치, 석유정제장치, 펄프제지공업장치 등을 생각할 수 있습니다.

티타늄의 경우 수소량이 취성 파괴로 이어지기 때문에 어떤 등급에서도 공통적으로 낮게 억제되고 있습니다만, 

산소나 질소, 철과 같은 성분에 대해서는 각각의 합금마다 다른 상한치가 설치되어 있습니다.

13종(TC480Pd)

TC480Pd는 주물 티타늄 합금의 일종으로 JIS에서는 13종으로 분류되는 재료입니다.

성분에 팔라듐을 첨가한 합금으로, 내식 티타늄이라고도 불리는 대로, 

내식성이 뛰어난 티타늄 합금으로, 그 중에서도 특히 내틈 부식성이 뛰어납니다.

이 '틈새 부식'이란 금속이 무언가에 접지·만지는 면에서 일어나는 부식으로, 

내식성이 뛰어난 금속이라도 금속과의 밀착 부분이나 그 틈에 발생하는 부식은 막을 수 없습니다.

 

왜냐하면, 금속 표면의 틈새는 농담 전지가 되어, 균일한 부식에 비해 

수십배~수백배의 속도로 진행하기 때문입니다.

좁은 부분에서의 금속 접지(금속끼리뿐만 아니라 금속 대 비금속도 포함)나

부품의 설치 부분 등에서 녹이 슬거나 부식을 자주 보는 것은 이것이 원인입니다.

용도로는 화학장치, 석유정제장치, 펄프제지공업장치 등 부식이 자주 있어서는 곤란한 부재이며, 

또한 나름의 강도가 요구되는 것이 있습니다.

60종(TC6400)

TAC6400은 티타늄 합금 중 JIS에서 말하는 60종의 주물 재료입니다.

주조하고 있기 때문에 주물 고유의 특성도 있어 주물로서는 품질이 균일할 것, 갈라짐이나 흠집,

주둥지 등의 결함이 없을 것이 조건이지만, 기본적인 성질은 단조나 전신재의 그것과 유사합니다.

티타늄의 60종은 α-β 합금이기 때문에 내식성이 우수한 α 합금과 강도가 우수한 β 합금의 

양쪽 특징을 이어받아 연성, 인성, 가공성, 용접성, 강도 면에서 밸런스의 장점을 가지고 있습니다.

이 때문에 그 60종의 주물 재료가 있는 TAC6400도 고강도인 데다 내식성이 높은 합금입니다.

 

용도는 강도가 높기도 하고, 구조부재가 많으며, 예를 들면 화학공업, 기계공업, 수송기기.

고압반응조 장치, 고압수송장치, 레저용품 등에서의 이용을 고려할 수 있습니다.

 

 

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