티타늄이란? – 합금, 등급 및 특성

티타늄이란?

기호 Ti와 원자 번호 22를 가진 티타늄은 주기율표의 4족(IVB)에 속하는 화학 원소 또는 가벼운 은빛 금속입니다. 높은 융점, 인장 강도, 열 및 전기 전도성 특성을 가지고 있습니다.

거의 모든 암석에 소량의 티타늄이 존재하지만 상당한 퇴적물에서는 발견되지 않습니다. 티타늄은 강도가 높고 부식률이 낮은 광택이 나는 회색 금속으로 다양한 용도로 사용됩니다. 티타늄은 항공 우주 응용 분야의 80%에 사용되고 나머지 20%는 갑옷, 의료 하드웨어 및 소비재에 사용됩니다.

물과 화학 매체에 의한 부식에 대한 티타늄의 내성은 매우 인상적입니다. 이 저항은 표면에 축적되는 이산화티타늄(TiO2)의 얇은 코팅으로 인해 이러한 물질이 침투하기 매우 어렵습니다.

티타늄은 탄성 계수가 낮습니다. 이는 티타늄이 매우 유연하며 원래 모양으로 다시 구부릴 수 있음을 의미합니다. 현재 많은 응용 분야에서 메모리 합금(차가울 때 구부러질 수 있지만 가열하면 원래 모양으로 돌아가는 합금)이 필요합니다.

 

 

티타늄의 역사

제2차 세계 대전 후, 어떤 형태의 티타늄 금속이 등장했습니다. 티타늄은 1910년 미국 화학자 매튜 헌터가 사염화티타늄(TiCl4)을 나트륨으로 환원시켜 티타늄을 만들 때까지 금속으로 분리되지 않았습니다(헌터 기술).

상업적 제조는 1930년대에 William Justin Kroll이 마그네슘을 사용하여 염화물에서 티타늄을 환원시킬 수 있음을 시연했을 때까지 시작되지 않았습니다. 오늘날까지 Kroll 공정은 가장 널리 사용되는 상업적 생산 방법입니다.

티타늄의 첫 번째 주요 응용 분야는 비용 효율적인 제조 공정이 발견된 군용 항공기였습니다. 1950년대와 1960년대에 티타늄 합금은 소련과 미국의 군용 항공기와 잠수함에 사용되었습니다. 티타늄 합금은 1960년대 초 상업용 항공기 제작업체에서 사용하기 시작했습니다.

1950년대로 거슬러 올라가는 스웨덴 의사인 Per-Ingvar Branemark의 연구에 따르면 티타늄은 인간에게 부정적인 면역 반응을 일으키지 않아 금속이 골유착으로 알려진 과정에서 우리 몸에 통합되도록 합니다.

 

티타늄 제조 공정

Kroll 공정으로 알려진 절차는 티타늄 금속을 제조하는 데 사용됩니다. 이 프로세스에는 5단계가 있습니다. 첫 번째 단계는 추출, 두 번째는 정제, 세 번째는 스폰지 제조, 네 번째는 합금 생성, 다섯 번째는 성형 및 성형입니다.

1. 추출
티타늄 광석의 추출은 Kroll 공정의 첫 번째 단계입니다. 광산은 티타늄 광석을 생산자에게 공급합니다. 일메나이트, 루틸 및 기타 티타늄 광물은 이 광석에서 찾을 수 있습니다. 루틸은 자연 상태에서 가장 일반적으로 사용됩니다.
한편, 일메나이트는 철을 제거하는 첫 번째 단계인 가공이 필요하여 잔여 부분에 이산화티타늄이 85% 포함됩니다. 이 광석은 염소와 탄소가 있는 유동층 반응기에서 900°C까지 조리됩니다.
화학 반응이 일어나 부산물로 불순한 사염화티타늄과 일산화탄소가 형성됩니다. 이산화티타늄은 철을 제거한 후 아직 순수하지 않기 때문에 TiCl4에 오염물질이 존재합니다.

2. 정제
이 과정에는 거대한 증류 탱크에서 TiCl4를 가열하는 과정이 포함됩니다. 분별 증류 및 침전 절차는 이 단계에 존재하는 불순물을 분리합니다. 바나듐, 실리콘, 마그네슘, 지르코늄, 철을 포함한 모든 오염 물질은 이 두 가지 공정을 통해 제거됩니다.

3. 스폰지 형성
스폰지 형성은 Kroll 프로세스의 세 번째 단계입니다. 정제된 사염화티타늄을 이 단계에서 액체 형태의 스테인리스강 반응기 용기에 붓습니다. 마그네슘을 용기에 넣고 1100°C로 가열하면 마그네슘이 염소와 반응하여 염화마그네슘이 생성됩니다.
공기 중에 산소와 질소가 존재할 위험이 있기 때문에 아르곤 가스를 용기에 주입하여 제거하여 산소와 질소 반응을 방지합니다.
티타늄은 강철보다 녹는점이 훨씬 높기 때문에 용기에 남아있는 티타늄은 순수하고 단단하지 않습니다. 그런 다음 이 티타늄 고체를 용기에서 빼내고 물과 염산 용액으로 처리합니다. 여분의 마그네슘이나 염화마그네슘을 제거하기 위해 수행됩니다. 이 주기가 끝날 때 얻은 티타늄은 스폰지 형태이므로 스펀지 형태라는 이름이 붙습니다.

4. 합금 생성
소모성 전극 아크로에서 순수 티타늄 스폰지는 다른 합금 및 고철과 결합되어 4단계에서 사용 가능한 합금을 만듭니다. 필요한 모든 금속을 필요한 비율로 녹이고 혼합한 후 벌크를 분쇄하고 용접하여 스폰지 전극을 형성합니다.
이 스폰지 전극을 진공 아크로에서 녹여 잉곳을 제조합니다. 경제적으로 허용되는 잉곳의 경우 이러한 잉곳은 일상적으로 여러 번 용융됩니다.

5. 성형 및 성형
잉곳은 용광로에서 회수되어 결함이 있는지 테스트한 다음 Kroll 공정의 마지막 단계에서 티타늄 합금 제품을 생산하는 데 사용됩니다.
용접, 주조, 단조, 분말 야금 및 기타 절차를 통해 잉곳을 완제품으로 성형합니다. 제품의 사양이 모든 것을 결정합니다.

 

티타늄 화합물

1. 산화티타늄
가장 중요한 산화물인 산화티타늄(TiO2)은 루틸, 아나타제 및 브루카이트의 세 가지 고체 결정 형태로 존재합니다. 루틸은 가장 많이 자연적으로 발생하는 유형이며 화학 산업에서 안료로 사용됩니다. Ti는 6개의 산소 원자와 팔면체로 결합되어 있고 다른 것들은 팔면체 환경을 파괴합니다.
Ti2O3, -Al2O3에 필적하는 구조 유형을 가진 보라색 Ti(III) 산화물. TiO는 염화나트륨과 유사한 입방정 결정 형태의 금속 티타늄과 TiO2를 가열하여 생성됩니다. 그러나 이는 두 이온 모두에 대해 1/6의 빈 자리를 갖는 비화학량론적인 경우가 많습니다. 금속 전도체 역할을 합니다.

2. 이황화티타늄
이황화티타늄(TiS2)은 가장 중요한 황화물 화학 물질로, 층 구조의 황 원자에 의해 형성되어 리튬 배터리 개발의 전극으로 사용됩니다.

3. 할로겐화물
무색의 휘발성 액체인 TiCl4는 티타늄의 가장 일반적인 할로겐화물입니다. 황색을 띠는 사염화티타늄은 공업에서 사용되며 공기 중에서 가수분해되는 경향이 있어 아름다운 흰 구름이 생성됩니다.
광석에서 티타늄 금속을 추출할 때도 사염화 티타늄을 사용합니다. 그 목적은 백색 페인트에 사용되는 이산화티타늄을 생산하는 것입니다. 티타늄 할라이드로 만들어진 루이스 산이 일반적으로 사용됩니다.
Van Arkel 절차는 고순도 티타늄 금속으로 티타늄 사요오드화물 TiI4, 또 다른 티타늄 할로겐화물을 생산합니다. 티타늄(III) 및 티타늄(II)의 안정적인 할로겐화물도 형성될 수 있습니다. 삼염화티타늄과 이염화티타늄이 두 가지 예입니다. 이러한 화학 물질은 촉매로 폴리올레핀의 제조에 사용됩니다.

4. 유기금속 착물
Titanocene-dichloride (C5H5)2TiCl2는 가장 잘 알려진 티타늄 유기금속 화합물이다. 중합 촉매의 경우 티타늄 유기 금속 착물이 광범위하게 연구됩니다. Petasis 시약과 Tebbe 시약은 다른 두 가지 유기 금속 티타늄 착물입니다.

 

티타늄 합금

1. 알파 합금
상업적으로 순수한 티타늄의 경도와 인장 강도를 높이기 위해 소량의 산소와 합금합니다. 290 ~ 740 MPa 범위의 강도 값을 갖는 경제적으로 순수한 다양한 티타늄 등급은 첨가량을 수정하여 생산할 수 있습니다.
철과 같은 베타 안정제의 불순물 수준이 상당한 경우 소량의 베타 상이 가능하지만 이러한 재료는 명목상 구조가 완전히 알파입니다. 알파 합금은 강도를 높이기 위해 열처리할 수 없지만 티타늄에 2.5% 구리를 추가하면 알루미늄-구리 합금과 동일한 방식으로 용액 처리 및 노화에 반응하는 재료가 생성됩니다.

2. 알파-베타 합금
바나듐, 몰리브덴, 철 및 크롬은 베타 상을 안정화시키고 수많은 알파-베타 합금이 개발되었습니다. 이들은 일반적으로 인장 강도가 620 ~ 1250 MPa이고 크리프 저항이 350 ~ 400°C인 중간에서 고강도 재료입니다. 낮고 높은 사이클 피로와 파괴 인성은 점점 더 중요한 설계 특징이 되고 있습니다.
합금이 다양한 목적에 대해 최고의 기계적 품질을 제공하도록 열기계 및 열처리 기술이 고안되었습니다. 450°C를 초과하는 온도에서 최대 크리프 저항을 위해 알파에 가까운 합금이 사용됩니다. 최대 600°C의 온도에서 충분한 크리프 강도를 제공합니다.

 3. 베타 합금
티타늄 소재의 다른 형태는 베타 합금입니다. 베타 안정화 요소가 티타늄에 충분히 추가되면 모든 베타 합금을 만들 수 있습니다. 이러한 자료는 오래전부터 존재했지만 최근에는 그 매력이 커졌습니다. 알파-베타 합금보다 경화하기 쉽고 일부는 상업적으로 순수한 등급보다 내식성이 우수합니다.
항공 우주에 사용되는 티타늄 재료에 대한 국제 및 국가 사양이 있지만 비항공 우주 응용 분야에 사용되는 재료에 대한 사양은 없습니다. 이 분야에서는 ASTM 사양 모음이 널리 사용됩니다.

 

티타늄의 등급

Grade 1
이 등급 중 가장 가단성과 부드러움이 있습니다. 그것은 가장 성형 가능하고 부식 방지 및 충격 방지 재료입니다.

Grade 2
다목적성과 유비쿼터스 가용성으로 인해 2등급 티타늄은 상업적으로 순수한 티타늄 산업의 "일꾼"입니다. 1등급 티타늄과 많은 특성이 동일하지만 내구성이 약간 더 높습니다. 둘 다 부식에 강합니다.

Grade 3
상업적으로 가장 흔하지 않은 순수한 티타늄 등급이지만 그 가치는 떨어지지 않습니다. 3등급은 1등급과 2등급보다 강하고 유연성이 비슷하며 이전 제품보다 성형성이 약간 떨어지지만 기계적 특성은 더 높습니다.

Grade 4
상업적으로 순수한 티타늄 4가지 등급 중 가장 강력한 등급은 4등급입니다. 또한 높은 성형성, 용접성, 뛰어난 내식성으로 유명합니다.

Grade 5
Ti 6Al-4V라고도 하는 5등급 티타늄은 모든 티타늄 합금 중에서 가장 널리 사용되며 티타늄 합금의 "일꾼"으로 유명합니다. 전 세계 티타늄 소비량의 50%를 차지합니다. 열처리를 통해 Ti 6Al-4V의 강도를 높일 수 있습니다.
이 합금은 낮은 중량에서 큰 강도, 실용적인 성형성 및 높은 내식성 때문에 바람직하다. 적응성으로 인해 Ti 6AI-4V는 항공 우주, 의료, 해양 및 화학 처리를 포함한 다양한 산업 분야에 적용하기에 이상적인 합금입니다.

Grade 7
기계적, 물리적으로 Grade 7은 Grade 2와 동일합니다. 그러나 간질 원소 팔라듐이 포함되어 있기 때문에 합금입니다. 7등급 티타늄 합금은 내식성이 가장 뛰어나며 용접성과 가공성이 우수합니다. 이 등급은 화학 공정 및 산업 장비 부품에 사용됩니다.

Grade 11
Grade 11은 내식성을 향상시키기 위해 소량의 팔라듐을 첨가하여 합금으로 변환한다는 점을 제외하면 Grade 1과 거의 동일합니다. 다른 장점으로는 최적의 연성, 냉간 성형성, 기능적 강도, 충격 인성 및 탁월한 용접성이 있습니다.

Grade 12
12등급 티타늄의 고품질 용접성은 "우수" 등급을 받았습니다. 극한의 온도를 견딜 수 있는 견고한 합금입니다. 12등급 티타늄은 300 시리즈의 스테인리스강과 동일한 특성을 가지고 있습니다. 이 합금은 프레스 브레이크, 하이드로 프레스, 스트레치 또는 드롭 해머 방법을 사용하여 뜨겁거나 차갑게 성형될 수 있습니다.

Grade 23
일반적으로 Ti 6AL-4V ELI로 알려진 23등급은 순수한 Ti 6Al-4V입니다. 코일, 스트랜드, 와이어 및 플랫 와이어를 만드는 것이 가능합니다. 고강도, 경량, 우수한 내식성 및 고인성을 요구하는 모든 응용 분야에 가장 적합한 선택입니다. 다른 합금보다 손상에 강합니다.

Ti 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn은 용접성과 안정성이 우수한 비열처리 합금입니다. 온도안정성, 강도, 내식성, 내크리프성이 우수합니다. 크리프는 고온에서 시간이 지남에 따라 소성 변형 과정을 나타내는 단어입니다.

 

티타늄의 속성

▷ 표준 온도 및 압력에서 고체로 발견됩니다.
▷ 티타늄의 표준 원자량은 47.867입니다.
▷ 티타늄의 끓는점은 3287 °C입니다.
▷ 광택이 나는 은빛 회색 흰색입니다. 융점은 1668 °C입니다.
▷ 결정 구조는 육각형이며 밀집(hcp)입니다.
▷ 폴링 척도에서 전기 음성도는 1.54입니다.
▷ 무게가 가볍습니다. 무게는 입방 미터당 4.506g입니다.
▷ 많은 힘을 가진 아름다운 전이 금속입니다.
▷ 부식에 강합니다. 묽은 황산과 염산은 손상시키지 않습니다.
▷ 모든 금속 원소 중에서 강도 대 밀도 비율이 가장 높습니다.
▷ 다른 금속보다 전기 및 열 전도성이 낮고 상자성입니다.
▷ 비자성 및 연성입니다.
▷ 수많은 동위 원소가 있습니다. 동위 원소 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti 및 50Ti는 안정적이며 자연적으로 존재합니다. 티타늄의 가장 흔한 동위원소인 48Ti가 주요 동위원소이지만
▷ 티타늄은 1200 °C의 온도에서 공기 중의 산소와 상호 작용합니다.

Ti + O2 1200°C = TiO2

물 반응 – 티타늄은 물과 비교적 천천히 반응합니다.

Ti + 2H2O = TiO2 + 2H2O

순수한 질소 가스에 노출되면 티타늄은 질소와 반응하여 질화 티타늄을 생성합니다. 반응은 800 °C에서 일어납니다.

 

2Ti + N2 = TiN

 

티타늄의 용도

▷ 티타늄(IV) 착물은 뛰어난 효율성과 낮은 생물학적 독성으로 인해 의학에서 암 치료를 위해 연구된 최초의 비백금 화합물이었습니다.
▷ 이 합금은 알칼리 용액, 염소 화합물, 습식 및 기타 적대적인 화학 물질의 저장, 레일, 철도 바퀴 및 엑셀의 제조를 포함하여 다양한 화학 및 산업 응용 분야에 사용됩니다.
▷ 망간, 크롬, 철, 몰리브덴, 알루미늄, 바나듐 및 주석 합금은 가볍고 기계적 강도 이점이 있습니다. 그것은 주로 항공 우주 및 미사일 산업에서 사용됩니다.
▷ 전기로에서 철과 코크스를 사용하여 제련하거나 금홍석을 생산하는 페로티타늄은 철강 산업에서 철강에서 산소와 질소를 제거하기 위한 스캐빈저로 사용됩니다.
▷ 산화티타늄(TiO2)은 탁월한 피복력으로 인해 화학에서 백색 안료로 널리 사용됩니다. 금속 추출과 동일한 방법으로 제조됩니다.