티타늄TTi(주)

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티타늄 소개

티타늄의 특성

티타늄의 내식성자료

TITANIUM원소

· 원소기호 : Ti
· 원자번호 : 22
· 원자량 : 47.90
· 녹는점 : 1675℃
· 끓는점 : 3260℃
· 비중 : 4.50(20℃)

티타늄, 1789년 영국의 W.그레거가 콘월 지방에서 산출된 사철에서 새로운 산화물을 추출하였다.
그 후 95년 독일의 M.H.클라파로트는 헝가리산 금홍석에서 새로운 금속원소를 발견하고 그리스 신화에 나오는 신의 이름을 따서 티탄이라고 하였다.
순금속은 1910년 M.A.헌터에 의해 처음으로 단리되었다.

매장량

예전에는 회유원소로 생각했던 일도 있으나, 지각 속에서의 존재도가 높아 클라크수 0.46으로 제 9위이며, 마그네슘에 이어서 크다.
매우 널리 분포하여, 토양 속에는 보통 약 0.6%의 산화티탄이 존재한다. 또, 지각의 화성암 속에도 소량 함유되어있다.
주요 광석은 루틸(금홍석), 티탄철석, 판티탄석, 예추석, 회티탄석 등이다.
또 사철 속에는 티탄 철석이 함유되어있다.

특징

은백색 금속으로, 순수한 것은 전성, 연성이 있고, 가열에 의해서 단련할 수 있으며, 내부식성이 있기 때문에 공업상 중요한 금속이다.
결정은 α형과 β형의 2종이 있는데, α형은 상온에 안정하다. α형은 육방정계에 속하며, 882℃ 이상에서는 등축정계인 β형이 된다. 굳기 4.0으로 차가울 때는 극히 취약하며 가루로 만들 수도 있으며 적열상태에서는 선으로 만들 수 있다.

강도는 탄소강과 거의 같고, 자중에 대한 강도비는 철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배이다. 또, 열 전도율, 열팽창률이 작고, 400℃이하에서는 강도의 변화가 작다. 공기중에서는 안정하나, 산소 속에서 강열하면 산화티탄이 된다.
할로겐과 가열하면 반응하고, 산에는 철보다 잘 녹지 않는다. 바닷물 속에서는 백금에 이어서 내식성이 강하다. 많은 금속과 합금을 만든다.

제조방법

공업적으로 크롤법으로 제조한다. 원료는 보통 산화티탄 TiO2이 94%정도 함유되어 있는 루틸, 또는 60% 정도 함유되어 있는 티탄철석등이다. 이것들을 일단 제련하여 티탄슬래그 분말로 하고, 목탄 또는 코크스를 가하여 소결한 후 염소화로 속에서 900℃정도로 사염화티탄을 만든다.

TiO2 + 2C + 2CI2 → TiCI4 + 2CO 생성된 사염화티탄에는 철, 규소, 바나듐 등의 염화물이 불순물로 함유되어 있으므로, 이것들을 증류에 의해서 정제한다. 정제된 사엄화티탄은 1기압의 아르곤가스 속에서 융해한 마그네슘에 적하함으로써 금속티탄으로 분리시킨다.
TiCI4 + 2Mg → Ti + 2MgCI2 다시 반응물을 가열하여 불순물을 증발시켜 티탄스펀지로 만드는데, 보통 1공정에서 1t정도의 티탄을 만든다.
순도는 99.6~99.85%이다. 이것을 다시 정제하는 데는 요오드법이 사용된다.

조티탄금속을 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. 이방법으로 얻은 티탄은 순도가 높아 99.96%이므로, 요오드법 티탄이라하여 구별한다.
이 밖에 융해염 전해법 등을 사용하는 일도 있다.

사용처

강도, 내식성이 크고 가벼우므로 항공기, 선박을 비롯하여 많은 구조용 재료로 사용되고, 화학공업에서 내식성 용기 재료로도 사용된다.

화학 기계적 성질

강도, 내식성이 크고 가벼우므로 항공기, 선박을 비롯하여 많은 구조용 재료로 사용되고, 화학공업에서 내식성 용기 재료로도 사용된다.

TITANIUM’S CHEMICAL & MECHANICAL PROPERTIES
Quality		Gr 1	Gr 2	Gr 4	Gr 5	Gr 7	Gr 9	Gr 11	Gr 12
Analysis %	Fe max	0.20	0.30	0.50	0.40/td>	0.30	0.25	0.20	0.30
	O max	0.18	0.25	0.40	0.20	0.25	0.15	0.18	0.25
	N max	0.03	0.03	0.05	0.05	0.03	0.02	0.03	0.03
	C max	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10
	H max	0.015	0.015	0.015	0.015	0.015	0.015	0.015	0.015
	Pd					0.12-0.25		0.12-0.25
	Al				5.5-6.7		2.5-305
	V				3.5-4.5		2.0-3.0
	Mo								0.4-0.4
Yield strength N/mm²	Rp 0.2	170-310	275-450	483-655	828-	275-450	483-	170-310	345-
Tensile Strength N/mm²	Rm min	240	345	550	895	345	620	240	483
Hardness	Vickers	140	170	310	330	170	250	140	170
Elongation	5 x d	24	20	15	10	20	15-17	24	18

COMPARATIVE VALUES
	Density	Melting Point	Thermal Expansion	Thermal conductivity	Electrical Resistance	Elasticity Modulus
Material	Kg/m³	oC	Coefficient (x 10(-6))	W/(m.K)	Ohm x n (x 10(-8))	MPa (x 10(-3))
Titanium	4505	1688	8.4	17	55	106.4
Iron	7900	1530	12	63	9.7	206.0
Aluminium	2700	660	23	205	2.7	69.2
Nickel	8900	1453	15	92	9.5	206.0
Copper	8900	1083	17	385	1.7	107.9
Stainless Steel 18-8	7900	1410	17	16	72	200
Brass	8400	970	18.5	100	7.5	107.9
Monel	8800	1325	14	26	48	179.5

티타늄특성

우수한 내식성, 고강도, 낮은비중

금속원소로서의 티탄은, 주기율표상 제4주기. IV-a족에 위치하는 원자번호22의 천이금속이다.
882°C에 동소변태점Tc를 가지고, 그것보다 저온측에서는 결정구조가 최밀육방형(hexagonal clisepacked. hcp)의
α상, 고온측에서는 체심입방형(body-centered cubic, boo)의 β상으로 된다. 순티탄의 주요한 물리적성질을 타재료와 비교해서 표 1에 나타낸다.

[표 1 티탄의 물리적 성질의 타재료와의 비교]

구분	타이타늄	철	스테인리스강(304)	동	알루미늄
밀도(g/cm³)	4.5	7.9	8.0	8.9	2.7
융점(℃)	1668	1530	1400~1427	1083	660
선팽창계수(L/℃)	8.4x10(-6)	12x10(-6)	17x10(-6)	17x10(-6)	23x10(-6)
비열(cal/g/℃)	0.12	0.11	0.12	0.09	0.21
열전도율(cal/sec ℃cm)	0.041	0.15	0.039	0.92	0.49
열확산계수(cm2/sec)	0.07	0.17	0.04	0.78	0.86
전기비저항(μΩ-cm)	47~55	9.7	72	1.7	2.7
영률(GPa)	106	192	199	119.0	69

순티탄의 특징은 융점이 높고, 비중이 철과 알루미늄의 중간이며, 열팽창계수나 영율이 강에 비해 작다는 것 등을 들 수 있다. 그밖에 화학적성질로서 내식성이 우수하여, 경량구조재료로서 티탄을 베이스로하는 신합금개발의 노력이 부지런히 계속되고 있다.

티탄에 합금원소를 첨가하면, 원소의 종류에 따라 α/β 변태온도가 변동하고, 또 변태온도에 폭을 일으켜 α+β 이상영역이 출현하게 된다. 이들중, 변태점을 상승시켜 α상영역을 평형상태도면상에서 확대하는 합금원소를 α상안정화원소, 거꾸로 변태점을 하강시켜 β상영역을 확대 하는 것을 β상안정화원소, 그 어느 것에도 속하지 않는 것을 중성적원소라 칭하고 있다.

β상 안정화원소로서 AI, C, O, N등, β상안정화원소로서 전율고용하는 Mo, Nb, Ta V 및 공석반응을 일으키는 Ag, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Si, W등, 중성적원소로서 Zr, Sn등이 알려져있다. 그리고, 이들의 첨가원소를 조합해서 각종합금이 개발되고 있는데, 상온에 있어서 구성상의 종류에 따라 α티탄합금, α+β티탄합금 및 β티탄합금으로 대별된다.

공업용순티탄과 α티탄합급

· 공업용순티탄
순티탄은 상온에서 최밀육방형(α)이지만, 그 축비(c/a=1.587)는 다른 최밀육방정금속(예를들면 Mg의 cla=1.623)에 비해 작기 때문에 가공성이 풍부하다.
각종 원소의 티탄에 대한 고용도는 일반적으로 크지만, 불순물로서 순티탄의 기계적성질에 가장 강한 영향을 주는 것은 N, O와 Fe 이다. 따라서 일본공업규격(JIS H 4600)에 있어서도, 이들불순물(주로 O와 Fe)의 함유량에 따라 공업용순티탄판의 종류를 분류하고 있다.

덧붙여서 말하면, O를 0.06% 포함하는 순티탄의 인장강도는 약 3.5kgf/㎣이지만, O의 증가와 함께 강도도 증대하여, O가 0.3%가 되면 인장 강도는 약 2배의 값을 나타낸다.

α티탄은 hcp구조이며, 소성변화에는 미끄러짐과 쌍정이 관여한다. 이 한정된 미끄러짐계의 수로 하면, 티탄다결정재는 결정입계에서 연속성을 유지하여 변형할 수 없겠지만(von Mises의 조건), 변형쌍정의 발생이 그것을 보충하고 있는 것이다.
그러나 이들의 소성거동은 불순물, 합금조직, 온도 등의 영향을 받아, 가공경화, 연성, 변형능, 혹은 후술하듯이 집합조직의 형성에도 변화를 일으키게 된다.

순티탄은, 변태점 (Tc-882℃)이하에서는 bcc구조로 되기 때문에, 변형은 용이해지지만, 고온이기 때문에 화학적으로 활성으로 되어, 비보호성 의 산화막이 성장한다.
순티탄의 특징의 으뜸은 내식성이 우수하다는 것이다. 종래 일본의 티탄수요의 대부분을 순티탄이 차지하고 있었다는 것은, 항공기산업의 뒤떨어짐을 배경에 겪어나간 필연의 결과였다.

발전소나 선박용의 복수기관에는 수질오염이 진행하고 있는 요즘, 일찍이 알루미늄 황동이나 큐프로니켈을 대신해서, 0.3~1mm 두께의 박육용접티탄관의 용도가 넓어지고 있고, 또 해수담수 화장치의 전열관이나, 냉각용 공업용수를 해수로 냉각하는 플레이트식 열교환기에도 순티탄이 이용되기 시작했다.

더욱이 소다전해에 있어서 양극기재나 동의 전해정련에 있어서 총판에까지 순티탄이 진출하고 있다. 또 티탄의 특색의 하나는 가볍고 강하다는 것이다.
내식재료로서 널리 이용되는 스텐레스강과 공업순도티탄과의 강도의 비교를, 내력/밀도비의 온도변화로 나타난다. 이것으로 알 수 있듯이, 특히 400°C보다 저온측에서는 티탄쪽이 비강도면에서 훨씬 우수하다고 할 수 있다.
· α티탄합금

① 침입형 α합금
산소, 질소, 탄소는 티탄에 대해 침입형에 고용하여, α상영역을 확대한다.
O. N. C원소들은 티탄의 기계적성질에 강한 영향을 준다.
공업순도의 순티탄은 , 이들 O.N,C원소 함유량을 제어해서 사용목적에 맞는 강도를 준 것이다.
각종 불순물의 영향을 총괄하면, 브리넬경도는 다음식을 주어진것이라 한다.

H8=411O%+128Fe%+675N%+380C c%+ 65.6

일본의 공업용순티탄판의 각종기계적성질(내력, 인장강도, 신장, 비커스경도)과 함유불순물량과의 관계식이, 티타늄협회기술위원회에 의해 구해지고 있다.
한편 α상안정화원소는 아니지만, 수소에 의한 티탄의 취화도 유의해야할 사항이다.
예를 들면 충격치는 수소흡수에 따라 현저하게 저하한다.
이것은 수소화물이 석출하기 때문으로, 이것의 대책으로서 티탄표면에 산화피막 TiO₂를 형성시키는 것이 효과적이라고 한다.

② 치환성 α합금
치환형에 고용하는 원소중, α상안정화원소는 AI뿐인데, α상영역내에서 고용원소의 영향으로 어느것이나 고용강화가 인정되지만, 특히 AI의 효과가 현저하다.
따라서, 실용 α합금은 Ti-AI을 기초로해서 개발이 도모되고 있다. AI첨가에 의해 α상 영역이 확대하고, 실온강도가 증대한다.
그러나, AI량이 약 7wt%이상이 되면 DO19형 hcp규칙상 Ti3Al(α 2상)이 출현하여, 인성이 열화한다.

이것을 피하기 위해 실용합금에 있어서는, β상 안정화 원소나 중성적인 원소인 Sn, Zr 을 더욱 첨가하여, Ti-AI이 생기지 않게 AI을 가능한 한 다량으로 함유시키려 하고 있다.

이렇게해서 개발된 α티탄합금의 대표적인 것은 Ti-5AI-2.5Sn 합금으로, 이 합금의 특징은, 고온 Creep특성이 우수하다.
고온에서의 내산화성이나 조직안정성 등의 관점에서, 티탄합금을 고온재료로서 사용하는 경우에는, Ti-AI을 기초로하는 α티탄합금이 유리해지 지만, 최근에는 더욱 과혹한 내열성이 요구되게 되었다.

그 때문에 1~2wt%의 β상안정화원소를 첨가하여, α+β합금이 나타내는 고 강도와 단순α합금이 나타내는 고온특성과를 겸비한 "준a 합금 (near a alloy)" 개발이 시도되고 있다.
그 예로서 Ti-11Sn-2,25AI-5Zr-1Mo-0.25Si(IMI679), Ti-6AI-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si(Ti-6242), Ti-6AI-5Zr-0.5Mo-0.3Si(IMI 685), Ti-5,5AI-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si(IMI 829)등을 들 수 있다. 또, α합금은 β혹은 α+β합금에 비해 저온에서 높은 강도와 함께 우수한 연성을 가지고 있다.

Ti-5AI-2.5Sn ELI의 ELI란 Extra Low Interestitial의 약자로, O, Fe, C등의 원소를 극력 낮게 억제한 합금을 의미한다.
Ti-5AI-2.5Sn 합금의 인장성질에 미치는 O량의 영향이 보여져, O량이 0.12%이하가 되면 -253°C에서도 우수한 연성, 인성을 가진다.
이 ELI합금은 액체 He온도(-269°C)에서도 높은 강도와 함께 우수한 연성을 나타내어, 자기부상열차, 초전도발전기 등에서의 이용이 고려되고 있다.

전술했듯이 α티탄은 hcp구조로, 소성변형에는 미끄러짐과 변형쌍정이 관여한다. hcp금속의 변형거동은 hcp 결정의 축비 c/a의 대소나, 함유 불순물, 합금원소의 영향을 강하게 받는다.

티타늄의 내식성자료

내식성 데이타
구분	부식매질	조성	온도	내식성
구분	부식매질	(%)	(ºC)	순수티타늄	순수지리코늄	SUS304	SUS316	HASTELLOY-C
무기산	염산(HCI)	1	25	A	A	B	A	A
			비등	D	A	D	D	C
		10	25	B	A	D	D	C
			비등	D	A	D	D	D
	황산(H2 SO 4)	1	25	A	A	A	A	A
			비등	D	A	D	C	B
		10	25	B	A	B	B	A
			비등	D	A	D	D	B
	질산(HNO3)	10	25	A	A	A	A	A
			비등	A	A	A	A	B
		65	25	A	A	A	A	B
			비등	A	A	B	B	D
유기산	초산(CH3 COOH)	10	비등	A	A	A	A	A
	초산(CH3 COOH)	60	비등	A	A	B	B	A
	수산((COOH)2)	10	25	A	A	C	B	A
	수산((COOH)2)	30	비등	D	A	D	D	A
	의 산(HCOOH)	10	25	B	A	B	B	B
	의 산(HCOOH)	30	비등	D	A	C	B	B
	유산(CH3 CH(OH)COOH)	10	25	A	A	B	B	B
	유산(CH3 CH(OH)COOH)	30	비등	A	A	D	D	B
알카리	가성소다(Na OH)	10	100	A	A	A	A	A
	가성소다(Na OH)	40	비등	D	B	B	B	B
	탄산칼륨(K2 CO 3 )	5	비등	A	A	A	A	A
	탄산칼륨(K2 CO 3 )	20	비등	A	A	A	A	A
무기염화물	염화나트륨	25	25	A+	A	B+	B+	B
	염화나트륨		비등	A	B	B+	B+	B+
	염화암모니움	40	25	A+	A	B+	B+	A
	염화암모니움		비등	A+	A	C+	B+	A+
	염화아연	20	비등	A+	A	D	D	D
	염화아연	50	비등	A	A	D	D	D
	염화마그네슘	42	25	A+	A	A+	A+	A
	염화마그네슘		비등	A	A	A+	A+	A+
	염화제2철	30	25	A+	D	D	D	C
	염화제2철		비등	A	D	D	D	D
무기염류	황산나트륨	20	25	A	A	A	A	A
	황산나트륨		비등	A	A	A	A	A
	황산나트륨	10	25	A	A	A	A	A
	황산나트륨		비등	A	A	B	B	A
	차아염소나트륨	5	25	A	A	C	C	C
	차아염소나트륨	15	25	A	A	C	C	C
	탄산나트륨	30	25	A	A	A	A	A
	탄산나트륨		비등	A	A	A	A	A
무기염류	메틸알콜	95	25	A	A	A	A	A
	사염화탄소	100	비등	A	A	B	B	B
	폐놀	포화	25	A	A	A	A	B
	포룸 알데히드	37	비등	A	A	A	A	B
가스	염소	건조	25	D	A	A	A	A
	염소	습윤	25	A+	D+	D+	D+	D+
	황하수소	건조	25	A	A	C	B	A
	황하수소	습윤	25	A	A	B	A	B
	암모니아	100	40	A	A	A	A	A
	암모니아		100	A	A	A	A	A
기타	해수	-	25	A	A	A+	A+	A
	해수		100	A+	A	B+	B+	A+
	남사	-	80	A	A	A+	A+	A
	남사		180	A	A	A+	A+	A

A:0.125mm/년 이하 B :0.125-0.5mm/년 C:0.5-1.25mm/년 D:1.25mm/년 이상
*공식,틈의 부식등의 국부 부식을 일으키는 경우가 있다.

타 금속재료 물리적 성질 비교
원자번호		원자량	비중 (g/cm²)	융용점 (℃)	선팽장개수 (/1℃)	비열 (cal/gr/℃)	열전도율(cal/㎠/Sec/℃/㎝)	전기비저항
순수Titanium	22	47.9	4.51	1,668	8.4x10(-6)	0.124	0.041	55
Ti alloyTi-6AI-4V	22(Ti)	-	4.42	1,540~1,650	8.8x10(-6)	0.13	0.018	171
Zirconium	40	91.22	6.52	1,852	5.8x10(-6)	0.17	0.04	40~54
Hastelloy C	-	-	8.9	1,305	11.3x10(-6)	0.092	0.03	130
Nickel	28	58.69	8.9	1,453	15x10(-6)	0.11	0.22	9.5
Nickel Alloy (Monel)	-	-	8.8	1,300~1,350	14x10(-6)	0.13	0.062	48
Aluminium	13	26.97	2.7	660	23x10(-6)	0.21	0.49	2.7
AluminiumAlloy (75S-T6)	-	-	2.8	476~638	23x10(-6)	0.23	0.29	5.8
AluminiumBrass (BSTF-2)	-	-	8.4	970	18.5x10(-6)	0.09	0.24	7.5
18-8 Stainless- Steel(SUS304)	-	-	7.9	1,400~1,420	17x10(-6)	0.12	0.039	72
Iron	26	55.85	7.9	1,530	12x10(-6)	0.11	0.15	9.7
Copper	29	63.57	8.9	1,083	17x10(-6)	0.092	0.92	1.724
Magnesium	12	24.32	1.7	650	25x10(-6)	0.24	0.38	4.3

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