취급소재

Titanium란?

Titanium은 1790년 잉글랜드의 콘웰에 사는 한 성직자이며 지질학자인 윌리엄 그레거에 의해 발견되었다. 그러나 1910년까지 순수한 Titanium을 얻을 수는 없었고, 1950년대 초기까지도 상업적인 가치를 지니는 제품을 만들 수 없었다. Titanium 제품은 매년 약 8%의 신장을 거듭했고, 1960년대 초반에는 군사용부터 상업용으로 중요한 소재로 전환된다. 순수한 Titanium은 높은 강도, 가벼움, 뛰어난 내구성을 지녀 항공 우주 산업에서 필요성을 느꼈다. 1950년대에, 높은 강도의 합금(alloy)이 개발되었고 6-4(6% 알루미늄, 4% 바나듐, 90%Titanium)라고 명명되었다. 그리고 바로 엔진 부분과 기체의 부품으로 사용되었다. 그러나 6-4는 낮은 연성(ductility)으로 관(tubing)을 만들기가 어려웠다. 그래서 3-2.5(3% 알루미늄, 2.5% 바나듐, 94.5%Titanium)라 불리는 새로운 합금(alloy)이 개발되었다.오늘날, 항공소재로 사용되는 Titanium 튜빙은 모두 3-2.5 합금을 사용한다. 이것은 1970년대에 골프 샤프트 같은 스포츠 용품에 이용하게 된다. 1980년대에는 휠체어, 스키 폴, 당구 큐, 테니스 라켓 등에 이용하게 된다.

티타늄의 가격

Titanium은 상당히 비싸다. 그러나 비싼 이유가 소재 자체의 희귀성 때문은 아니다. 사실, 지구상에서 4번째로 (알루미늄, 철, 마그네슘 다음으로)많은 광물이다. Titanium 이산화물의 형태로 일반적으로 사용되며, 여러 곳에서 사용된다. Titanium의 가격이 비싼이유는 다음과 같은 원인에서 기인한다.

①정제비용 - Titanium은 순수한 형태로 존재하지 않는다. 정제 과정에서 많은 비용, 인력이 소모된다.
②처리비용 - 순수한 Titanium이든, 다른 재료와 혼합된 합금의 형태이든, Titanium은 매우 단단한 물질로 특수한 툴이 필요하게 된다. 그리고 열처리와 어닐링(annealing을 위해서는 공기와 단절된 환경에서 작업을 해야 한다.
③가공비용 - 튜빙이 만들어지는 동안 수차례의 어닐링이 필요하다. 한대의 보잉 747기에 약 95,000파운드 (약 43090톤)의 Titanium이 사용된다고 하니, 이정도면, 현재의 사용되는 Titanium 프레임의 비율이라면 8년동안 공급할 수 있는 양이다.(역주-최근의 Titanium 프레임, 부품의 증가 추세를 본다면 최대 8년은 아니어도 최소한 3~5년 이상은 제공할 수 있는 양이라고 생각한다.)

티타늄 내식성

많은 화학 약품에 대해 티타늄은 뛰어난 내식성을 나타내지만, 모든 약품에 대한 완전 내식은 아니기 때문에, 티타늄의 특징을 잘 이해한 다음에 내식재료로서 실용하기를 바란다. 티타늄이 좋은 내식성을 나타내는 것은 스텐레스강 및 알루미늄과 같이, 표면에 부동태 산화피막을 생성하는 것에 기인하고 있다고 설명할수 있다. 티타늄은 산화성 약품이나 염소나 염화물을 티타늄은 산화성 약품이나 염소나 염화물을 포함하는 용액 등에 잘 견디지만, 그 반면 비산화물의 산 또는 활성상태의 수소와 접촉하는 조건으로 사용하는 것은 일반적으로 피한다는 것을 예상할 수가 있다. 화학공업에 있어서 티타늄은 스텐레스강 대신 사용하게 되었는데, 티타늄의 내식성을 스텐레스 강과 비교하면

ⅰ) 티타늄은 응력부식, 점부식, 입계부식등은 거의 보이지 않는다.
ⅱ) 스텐레스 강 제기기에서는 열처리, 용접 또는 냉각가공등에 기초한 부식이 문제가 되는데, 티타늄 제기기에서는 거의 문제가 안되는 이점이 있다. 티타늄은 염소, 황소와 같은 비철화성의 산에 대해 내식성이 충분하지 않은데, 티타늄에 팔라디움 또는 백금 등의 귀금속을 미량 합금시키면 , 각종농도의 비등황산수 용액속에서의 Ti-Pd합금(0.15%) 및 순수 티타늄의 부식시험 결과 Ti-Pd합금은 부식시간이 긴 만큼 부식률이 작아지고, 특히 황산농도가 10%이하인 경우 8시간 이후는 전혀 부식이 되지 않는다는 것을 알수 있다. 이와 같이 시험기간에 의해 부식율이 작아지는 것은 Ti-Pd합금의 특성에 근거를 두고 있다. 즉 이합금은 부식환경에 띄게 된 초기에서는 단 시간에 부식하지만, 티타늄과 동시에 녹아버리는 팔라디움이 지극히 귀하고, 수소와 전압이 작은 금속이기 때무에 결국 합금자신은 부동태화하게 되어, 그 결과 부식이 억제되는데 이르게 된다. 순수 티타늄은 뛰어난 내식성을 가지고 있는 질산, 염소 가스 등이 산화성 환경에서 가지는 내식성이 순수티타늄과 완전히 똑같은데 그중 황산, 염화알루미늄 용액과 같이 환원성 환경에 있어서의 내식성은 특히 뛰어나다. 또 환원성 산중에 산화성물질이 포함되어 내식성이 잘 되는 순수 티타늄은 Ti-Pd합금에서의 효과는 훨씬 미량의 산화제에 의해서도 부동태화가 쉬워진다. Ti-Pd합금은 현재 환원성 산을 포함한 부식환경과 고온 고농도의 염화물을 포함한 부식환경에서 널리 이용되고 있다.

티타늄의 등급과 소재 Titanium 합금은 특성상 광범위하게 사용되고 있다.

• 1. CPCommercially Pure, or CP는 순수한 형태의 Titanium을 말한다. 즉 다른 소재가 섞이지 않은 순수한 Titanium을 말한다. 쉽게 튜빙을 만들 수 있고, 일부 프레임 제조회사에서 (유럽, 타이완) 본딩 (bonding)을 한다. 비록 많은 산업 재료에 CP가 사용되긴 하지만, 무게에 따른 강도를 본다면 3-2.5합금에 미치질 못한다. 실제로 잘 만들어지는 스틸보다 약한 강도를 갖게 된다. 미국의 경우를 보면 CP를 4개의 등급으로 구분을 한다. 산소 함유율에 따라 나누어 지는데, CP의 항복강도(Yield Strength)범위는 25~65ksi(1평방인치당 100파운드의 힘이 가해지는 것 )이다. 4등급이 가장 항복강도가 크고, 1등급이 가장 작다.
• 2. 3-2.5Titanium 3-2.5 는 3%의 알루미늄, 2.5%의 바나듐 그리고 94.5%의 순수한 Titanium이 섞인 합금이다. 가장 강한 등급은 AMS 105라고 불리우며, 최소 105ksi의 항복강도를 갖고, 최소 125ksi의 인장강도를 갖는다. 담금질을 통해 15~30%의 신장(elongation)을 갖게 되고, 냉각 작업을 통해 10%의 신장(연성)을 갖게 된다.
• 3. 6-46-4 합금(6% 알루미늄, 4% 바나듐, 90%Titanium으로 구성)은 항공소재에 있어서는 놀라운 금속이었다. 무게 대비 강도에 있어서, 미국에서 사용되는 Titanium 합금의 50%정도가 이 합금이다.그러나 6-4는 자전거 프레임 소재로 사용하기에는 부적절한 몇 가지 중요한 점을 가지고 있다. 3-2.5와 비교해 보면, 6-4는 연성이 30%정도 낮다. 모든 6-4 튜빙은 담금질된 얇은 판을 이용해 만들어진다. 이 판을 튜브형태의 관에 말아 용접하게 된다. 이렇게 만들어지는 튜빙은 피로 강도면 에서 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 전단 계수(modulus of rigidity)가 3-2.5보다 낮다. 마지막으로, 역시 가격이 제한요인이다. 6-4는 보다 많은 비용이 든다.
• 4. Russian Titanium러시아는 최근에 낮은 가격, 강한 강도의 Titanium 합금을 제공하기 시작했다. 이렇게 할 수 있는 이유는 다음과 같다.
  
  첫째, 러시아는 임금과 제반 비용이 싸게 든다. 하지만 임금이 싼 대신에 만족할 만한 훌륭한 튜빙을 만들지는 못한다.
  둘째, 러시아 생산자들은 보다 강한 합금에 대해 많은 자료를 가지고 있다고 전해진다. 여러 가지 다른 이름의 합금이 발표되지만, 사실은 미국의 합금과 거의 유사하다. 예를 들면 러시아의 VT-6 합금의 경우는 6-4의 다른 이름이라고 생각하면 된다. 이 합금의 특성은 거의 6-4와 동일하다. 러시아의 VT-5 합금은 3-2.5와 비슷한 성능을 나타낸다. 몇 가지 예가 있지만 결론적으로는, 러시아에서 생산되는 튜빙의 경우에 모델명이 달라 새로운 소재로 인식될 수 있지만, 전혀 새로운 소재가 아니라는 점과, 가격은 싸지만 전체적인 특성을 따지면 가격과 비례한다는 점이다. 즉 미국산의 Titanium 튜빙과 같은 성능을 얻기 위해서는 보다 까다롭게 생산을 해야하고 그러기 위해서는 모든 비용이 상승하여 그 가격차이가 없어진다는 것이다.

순수 Titanium : 선, 판

화학성분 %
원소	H(수소)	N(질소)	C(탄소)	O(산소)	Fe(철)	Ti(티타늄)
%	0.0125 이하	0.03 이하	0.10 이하	0.25 이하	0.30 이하	나머지

Titanium 합금 (1)TIVEC : 홈선

화학성분 %
원소	H	N	C	O	Fe	Al	V	Ti
%	0.0125 이하	0.02 이하	0.05 이하	0.12 이하	0.25 이하	2.50~3.50	2.00~3.00	나머지

(2)β Titanium : 선, 판, 홈선

화학성분 %
원소	H	N	C	O	Fe	Al	V	Ti
%	0.015 이하	0.05 이하	0.10 이하	0.20 이하	0.25 이하	2.5~3.5	2.0~3.0	나머지

(3)α Type titanium alloy

구분	Mechanical Properties (normal tempareture condition)				Properties	Relevant Standards
	condition*	Tensile Strength (N/mm2)	Yield Strength (0.2%) (N/mm2)	Elongation(%)
SSAT-525 (Ti-5Al-25Sn)	ST	828 ~	793 ~	10 ~	Good weldability Hear resistance	AMS 4910,4926,4966, ASTM Gr.6
SSAT-811 (Ti8Al-1Mo-1V)	ST	895 ~	825 ~	10 ~	Heat resistance	AMS 4915,4916, 4972,4973
	STA	1000 ~	930 ~	10 ~
SSAT-6242 (Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si)	ST	895 ~	825 ~	10 ~	Heat resistance	AMS 4919,4975,4976
	STA	930 ~	860 ~	10 ~
SSAT-10CF (Ti-10Zr)	ST	480 ~	380 ~	15 ~	Good cold workability Easy for polishable	Sumitomo developed (Cold workable alloy)
SSAT-18CF (Ti-18Zr)	ST	580 ~	485 ~	12 ~	Good cold workability Easy for polishable	Sumitomo developed (Cold workable alloy)

(4)α+β Type titanium alloy

구분	Mechanical Properties (normal tempareture condition)				Properties	Relevant Standards
	condition*	Tensile Strength (N/mm2)	Yield Strength (0.2%) (N/mm2)	Elongation(%)
SSAT-3864 (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)	ST	759 ~	759 ~	15 ~	Cold Workability Good age hardenability	AMS4957,5958ASTM Gr.19, -C
	STA	1100 ~	1100 ~	4 ~
SSAT-64 (Ti-6Al-4V)	ST	895 ~	825 ~	10 ~	High strength Genera purpose alloy	ASTM Gr.5, JIS 60
	STA	1140 ~	1070 ~	10 ~
SSAT-64 ELI (Ti-6Al-4V-ELI)	ST	825 ~	755 ~	10 ~	High strength Cryogenic property	ASTM Gr.23, JIS 60E
SSAT-662 (Ti-6Al-6V-2Sn)	ST	1035 ~	965 ~	10 ~	Good hardenability	AMS4918
	STA	1205 ~	1105 ~	8 ~
SSAT-6246 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)	STA	1170 ~	1105 ~	10 ~	Creep resistance	AMS4981

(5)β Type titanium alloy

구분	Mechanical Properties (normal tempareture condition)				Properties	Relevant Standards
	condition*	Tensile Strength (N/mm2)	Yield Strength (0.2%) (N/mm2)	Elongation(%)
SSAT-3864 (Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo)	ST	759 ~	759 ~	15 ~	Cold workability Good age hardenability	AMS4957, 4958 ASTM Gr.19, -C
	STA	1100 ~	1100 ~	4 ~
SSAT-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al)	STA	1240 ~	1105 ~	4 ~	High strength and toughness High fatigue strength Good hardenability	AMS 4983, 4984, 4986, 4987
SSAT-153 (Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)	ST	745 ~	690 ~	12 ~	Cold workability Good age hardenability	AMS 4914
	STA	1100 ~	965 ~	7 ~
SSAT-2041CF (Ti-20V-3.5Al-1Sn)	ST	630 ~	600 ~	15 ~	Good cold workability (ST) High strength by short time aging (STA)	Sumitomo developed (Cold workable alloy)
	STA	1100 ~	965 ~	7 ~
SSAT-64AW (Ti-6Al-4V-10Cr-1.3C)	ST	895 ~	825 ~	-	High wear resistance Possible to build up spraying	Sumitomo developed (wear resistance alloy)

(6)형상기억합금 : 메모리선

원소	Ni (니켈)	Co (코발트)	Ti (Titanium)
WT (%)	54.56	1.45	나머지
AT (%)	49.63	1.31	나머지

화학적 성분

화학성분 →	C	H	Fe	O	N	Ti	Al	V	Pd
Grade ↓	(max)	(max)	(max)	(max)	(max)	(max)	(max)	(max)	(max)
Gr.1	0.08	0.015	0.2	0.18	0.03	Bal	-	-	-
Gr.2	0.08	0.015	0.2	0.25	0.03	Bal	-	-	-
Gr.3	0.08	0.015	0.3	0.35	0.05	Bal	-	-	-
Gr.4	0.08	0.015	0.5	0.35	0.05	Bal	-	-	-
Gr.5 (6Al-4V)	0.08	0.015	0.3	0.02	0.05	Bal	5.5~6.75	3.5~4.5	-
Gr.5 (6Al-4V ELI)	0.08	0.015	0.25	0.13	0.05	Bal	5.5~6.5	3.5~4.5	-
Gr.7	0.08	0.015	0.3	0.25	0.03	Bal	-	-	0.12~0.25
Gr.9	0.08	0.015	0.25	0.15	0.02	Bal	2.5~3.5	2.0~3.0	-
Gr.12	0.08	0.015	0.3	0.25	0.03	Bal	-	-	-