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티타늄의 모든것

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 498회 작성일 21-04-02 13:42

본문

[그리스어 titanium] <명사>

≪화학≫ 대부분의 암석이나 흙 속에 들어 있는, 윤이 나는 흰빛의 금속원소. 뜨겁게 가열하면 강한 빛을 내며 타는데 티탄철의 제조, 아크등의 전극 따위로 쓰인다. [Ti, 22번, 47.90]. <동의어> 티탄. 주기율표 제4A족에 속하는 금속원소.
 
원소기호 : Ti / 원자번호 : 22 / 원자량 : 47.90 / 녹는점 : 1675℃ / 끓는점 : 3260℃ / 비중 : 4.50(20℃)
 
티타늄이라고도 한다. 1789년 영국의 W.그레거가 콘월 지방에서 산출된 사철(砂鐵)에서 새로운 산화물을 추출하였다. 그 후 95년 독일의 M.H.클라프로트는 헝가리산 금홍석(金紅石)에서 새로운 금속원소를 발견하고 그리스 신화에 나오는 신(Titanes)의 이름을 따서 티탄이라고 하였다. 순금속은 1910년 M.A.헌터에 의해 처음으로 단리(單離)되었다.
 
존재 
 
예전에는 희유원소로 생각했던 일도 있으나, 지각(地殼) 속에서의 존재도가 높아 클라크수 0.46으로 제9위이며, 마그네슘에 이어서 크다. 매우 널리 분포하며, 토양 속에는 보통 약 0.6 %의 산화티탄이 존재한다. 또, 지각의 화성암 속에도 소량 함유되어 있다. 주요 광석은 루틸(금홍석) ·티탄철석 ·판티탄석 ·예추석(銳錐石) ·회티탄석 등이다. 또 사철 속에는 티탄철석이 함유되어 있다.
 
성질
 
은백색 금속으로, 순수한 것은 전성(展性) ·연성(延性)이 있고, 가열에 의해서 단련할 수 있으며, 내부식성(耐腐蝕性)이 있기 때문에 공업상 중요한 금속이다. 결정은 α형과 β형의 2종이 있는데, α형은 상온에서 안정하다. α형은 육방정계(六方晶系)에 속하며, 882℃ 이상에서는 등축정계(等軸晶系)인 β형이 된다. 굳기 4.0으로 차가울 때는 극히 취약하여 가루로 만들 수도 있으며 적열(赤熱)상태에서는 선으로 만들 수 있다. 강도는 탄소강과 거의 같고, 자중(自重)에 대한 강도비는 철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배이다. 또, 열전도율 ·열팽창률이 작고, 400℃ 이하에서는 강도의 변화가 작다. 공기 중에서는 안정하나, 산소 속에서 강열하면 산화티탄이 된다. 할로겐과 가열하면 반응하고, 산에는 철보다 잘 녹지 않는다. 바닷물 속에서는 백금에 이어서 내식성(耐蝕性)이 강하다. 많은 금속과 합금을 만든다.
 
제조법
 
공업적으로는 크롤법으로 제조한다. 원료는 보통 산화티탄 TiO2이 94% 정도 함유되어 있는 루틸, 또는 60% 정도 함유되어 있는 티탄철석 등이다. 이것들을 일단 제련하여 티탄슬래그 분말로 하고, 목탄 또는 코크스를 가하여 소결(燒結)한 후 염소화로(鹽素化爐) 속에서 900℃ 정도로 사염화티탄을 만든다. TiO2+2C+2Cl2 → TiCl4+2CO 생성된 사염화티탄에는 철 ·규소 ·바나듐 등의 염화물이 불순물로 함유되어 있으므로, 이것들을 증류에 의해서 정제한다. 정제된 사염화티탄은 1기압의 아르곤가스 속에서 융해한 마그네슘에 적하(滴下)함으로써 금속티탄으로 분리시킨다. TiCl4+2Mg → Ti+2MgCl2 다시 반응물을 가열하여 불순물을 증발시켜 티탄스펀지로 만드는데, 보통 1 공정에서 1t 정도의 티탄을 만든다. 순도는 99.6∼99.85%이다. 이것을 다시 정제하는 데는 요오드법이 사용된다. 조(粗)티탄금속을 요오드와 250∼300 ℃에서 반응시켜 요오드화티탄을 만들고, 그 증기를 1,100∼1,500℃에서 열분해시켜 고순도의 티탄과 요오드로 분리한다. 열분해는 보통 전류를 통한 텅스텐선상에서 시행한다. 이 방법으로 얻은 티탄은 순도가 높아 99.96%이므로, 요오드법 티탄이라 하여 구별한다. 이 밖에 융해염 전해법 등을 사용하는 일도 있다.
 
티타늄의 장점
 
(1) 경금속으로서의 이점(LIGHT)
티타늄의 비중은 4.51g/㎤ 로서 동이나 니켈의 약50%에 해당하고 스테인레스의 약 60%로 대단히 가볍기 때문에 구조물의 중량을 경량화 할 수 있다.
 
(2) 고강도(STRONG)
순수티타늄은 상온에서보다 저온에서의 강도가 더욱 뛰어나다. 또한 여타금속은 저온에서 갑자기 깨지는 현상이 나타나지만, 티타늄합금의 경우에는 그러한 현상이 나타나지 않는다.순수 티타늄의 강도는 스텐레스철의 강도와 비슷하며, 티타늄합금의 경우는 특수강의 강도보다 더 높다. 순수 티타늄의 강도는 30~75Kgf/m㎡ 이며 합금티타늄의 경우는 60~160 Kgf/m㎡로 500℃까지는 여타의 금속 재료 중 최대의 비강도를 갖는다. '항복강도/인장강도'의 비율이 높다. 티타늄은 인장강도에 대한 내응력이 매우 높으며, 특히 티타늄합금은 90%이상의 높은 값을 가지고 있다.
 
(3) 우수한내식성(ANTI-CORROSION)
티타늄 표면에 형성되는 산화티타늄 피막이 견고하여 재료내부로의 부식억제효과가 클 뿐만 아니라, 부동태 피막(Oxide film)이 파괴되더라도 즉시 재생되기 때문이다. 특히 염소이온에 대한 내식성이 뛰어나 화학장치산업, 해양구조물 및 생체의료분야에서 강점이 있는 소재이다. 티타늄의 부식은 균일하며 움푹 파여진 증거 또는 국부화된 그 밖의 심한 발생현상은 거의 없다. 정상적으로 응력부식, 피로부식, 입간부식 혹은 전기부식을 받지 않는다. 티타늄의 부식저항은 스테인레스 강이나 동합금과 비교해서 여러 사용조건에서도 우수하며 특히 해수에는 백금에 필적할만한 내식성을 가지고 있다. 따라서 티타늄은 고온,고압,강부식성 환경에서는 불가결의 재료로서 사용되고있다.
 
(4) 무독성
티타늄은 심장밸브, 인공 뼈등, 신체 조직의 이식에 사용될 만큼 인체에 무해한 금속으로 최근에 의료 및 장신구 분야에 널리 쓰이고 있다.
 
(5)열팽창계수, 열전도도가 낮다
순티타늄의 융점은 1668℃로 철(1536℃)보다 높고 열팽창계수, 열전도도(15W/Mk)가 낮다
 
형상기억특성
센서, 열구동체, 안경테
에너지이용,원자력 폐기물처리
폐기물처리 수송용기,수소자동차, 재처리장치(캐니스터 등)
정밀기계,일용품
시계.카메라.컴퓨터,안경,전자기기,중화냄비
선박
선외기부품.샤프트,잠수함 선체, 심해잠수정 선체,기타
악세사리
안경후레임.넥타이핀 등 장식품,반지,시계, 목걸이
스포츠용품
자전차.테니스라켓.골프채,골프용품,등산용구, 스키
티타늄 골프 샤프트, 테니스 라켓 프레임, 당구 큐 프레임, 야구 배트 및 자전거 프레임 등.
해양관련
해수 담수화 장치. LNG 해수 쿨라용 튜브,심해정
자동차
콘로드. 밸브. 스프링. 볼 트, 엔진부품, 리테이너
석유화학공업
전해용 전극. 각종 제조장치,열교환기, 배관, 반응기, 밸브, 질산, 유기산, chlorine dioxide (이산화염소)등의 aggressive 화합물 처리를 위한 티타늄 소재의 vessel,탱크, 교반기, 냉각기등
화력,원자력발전
화력. 원자력 발전의 복수기기. 관. 판, 터빈 브레이드, 공해방지기기
의료,식품
인공뼈. 수술용구. 핀센트,인공관절, 치근, 식품기기용 전극 인공이식, 외과장비, 맥박조정기 케이스 또는 원심분리기 등. 모든 금속 중 가장 생체 친화적인 금속
항공,우주항공
기체 구조재. 엔진부품,연료탱크,항공기 가스터빈 엔진, 최신 기종의 제트엔진(약 20-30%가 티타늄 합금소재)
 
티타늄의 종류
티나늄이 가격이 비싼 이유는 소재 자체의 희귀성 때문이 아니다. 지구상에서 4번째로(알루미늄, 철, 마그네슘 다음으로) 많은 광물이다 
 
티타늄의 가격이 비싼이유 
 
1.정제비용 - 티타늄은 순수한 형태로 존재하지 않는다. 정제 과정에서 많은 비용, 인력이 소모된다.
2.처리비용 - 순수한 티타늄이든, 다른 재료와 혼합된 합금의 형태이든, 티타늄은 매우 단단한 물질로 특수한 공구(TOOL)가
   필요하게 된다. 그리고 열처리와 어닐링(annealing, 풀림,담금질)을 위해서는 공기와 단절된 환경에서 작업을 해야 한다.
3.가공비용 - 관이 만들어지는 동안 수차례의 어닐링이 필요하다.
 
티타늄의 등급과 소재
 
광범위하게 사용되고 있다. 강도, 탄성 (resiliency),내구성의 관점에서 보아 3-2.5 합금이 자전거에 적합하 다.
또한, 3-2.5 합금이 쉽게 작은 지름의 관을 만들 수 있다. 일부 제조회사들은 프레임의 일부 부분에 6-4 합금을 이용한다. 드롭아웃(dropout)부분, 헤드셋(HEAD SET)등에 6-4 합금을 이용한다.
 
순수티타늄
 
Commercially Pure(CP)는 순수한 형태의 티타늄을 말한다.
쉽게 관을 만들 수 있다.
많은 산업 재료에 CP가 사용되긴 하지만, 무게에 따른 강도를 본다면 3-2.5 합금에 미치질 못한다. 스틸보다 약한 강도를 갖게 된다.
미국의 경우를 보면 CP를 4개의 등급으로 구분을 한다.(산소 함유율에 따라 나누어 진다.)
CP의 항복강도(yield strength) 범위는 25~65ksi(1평방인치당 1000파운드의 힘이 가해지는 것)이다. 4등급이 가장 항복강도가 크고, 1등급이 가장 작다.
오직 4등급만이 자전거 프레임을 만드는데 이용될 수 있다.
 
티타늄 합금
 
3%의 알루미늄, 2.5%의 바나듐 그리고 94.5%의 순수한 티타늄이 섞인 합금이다.
-가장 강한 등급은 AMS 105 라고 불리우며, 최소 105ksi의 항복강도를 갖고, 최소 125ksi의 극인장강도를 갖는다. 담금질을 통해 15~30%의 신장(elongation)을 갖게 되고, 냉간 작업을 통해 10%의 신장(연성)을 갖게 된다. 연성이 알루미늄보다 낮은관계로 DOUBLE BUTTED까지 가공된다. TRIPLE BUTTED가공은 사실상 불가능하다.
-3-2.5의 피로(fatigue) 무게대비 강도는 자전거 프레임에 사용되는 4130 크로몰리 스틸의 약 2배에 이른다. 이것은 훌륭한 탄성을 가지는데, 관의 지름과 두께의 변경으로 조절할 수 있다.
-대부분의 티타늄 합금 3-2.5는 부식에도 강해서 표면에 페인트를 칠할 필요가 없다.
-합금(6% 알루미늄, 4% 바나듐, 90% 티타늄으로 구성)은 항공소재에 있어서는 놀라운 금속이었다. 무게 대비 강도에 있어서 미국에서 사용되는 티타늄 합금의 50% 정도가 이 합금이다.
-합금(6% 알루미늄, 4% 바나듐, 90% 티타늄으로 구성)는 자전거 프레임 소재로 사용하기에는 부적절한 몇가지 중요한 점을 가지고 있다.
3-2.5와 비교해 보면, 6-4는 연성이 30%정도 낮다. 모든 6-4 관은 담금질된 얇은 판을 이용해 만들어진다. 이 판을 튜브 형태의 관에 말아 용접하게 된다. 이렇게 만들어지는 튜빙은 피로 강도면에서 약해질 수 있다. 용접 부위의 불규칙적인 결정체 모양으로 피로 지속성(endurance)이 줄어들게 된다. 그리고 이런 구조는 이음새가 없는 튜빙처럼 조절할 수 없다.
또한 6-4의 절단 계수(molulus)가 3-25보다 낮다. 이런점은 자전거 프레임의 소재로 문제가 되는데, 자전거 프레임은 반복적으로 비틀림이 가해지기 때문이다. 마지막으로, 역시 가격이 제한요인이다.
6-4는 보다 많은 비용이 든다.
 
Russian Titanium
 
-러시아는 최근에 낮은 가격, 강한 강도의 티타늄 합금을 제공 할 수 있는 이유
첫째, 러시아는 임금과 제반 비용이 싸게 든다.
만족할 만한 관을 만들지는 못한다.
둘째, 러시아 생산자들은 보다 강한 합금에 대해 많은 자료를 가지고 있다고 전해진다. 여러가지 다른 이름의 합금이 발표되지만, 사실은 미국의 합금과 거의 유사하다.
 
튜빙 비교
 
미국에서, 자전거에 사용되는 3-2.5 티타늄 합금은 3가지 등급으로 구분된다.
1.3-2.5 AMS 등급 105, 747비행기의 후드(덮개)와 같은 등급이다.
AMS 규격 (Aerospace Material Specifications)에 일치하는 등급이다. 2.3-2.5 -sports 등급. 스포츠 등급 관은 적은 가공 과정을 거치기 때문에 보다 싼 가격에 판매된다. 3.Scrap 3-2.5. 앞의 두 등급을 만족하지 못하는 등급이다.
이 튜빙의 문제점은 튜빙 수명에 대한 확실한 보장을 할 수 없다는 것이다.
 
티타늄의 미래
 
더블-버티드 스틸이 1897년 만들어지기 시작했지만, 버팅은 1990년 까지는 이음새가 없는 3-2.5 티타늄에는 적용되지 않았다.
잠재 가능성이 있는 것은 요즘 많은 제품들이 나오고 있는 “소프트테일” 이라는 형태의 프레임이다. 체인스테이가 스프링 역할을 하고, 따로 만들어지는 피봇이 없어 무게가 늘어날 걱정도 없고, 구조가 간단해 관리도 편하면서 일반적인 듀얼서스펜션 자전거의 느낌을 얻을 수 있다는 장점을 가진다. 티타늄의 가장 큰 걸림돌은 가격이다.
가격이 중요하지 않다면, 3-2.5 합금은 알루미늄을 대체할 미래의 자전거 프레임 또는 부품의 재료인 것이다.
 

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