계열 개요
티타늄은 강보다 밀도가 낮고 무게 대비 강도가 높으며, 표면에 생기는 안정한 산화 피막 덕분에 해수와 염화물 환경에서도 내식성이 좋은 금속입니다. 소재는 합금 원소를 거의 넣지 않은 순티타늄과, 알루미늄·바나듐 같은 원소를 넣어 강도를 높인 티타늄 합금으로 나뉩니다. 다만 불산이나 고온의 환원성 산에서는 부식될 수 있으므로, 부식 환경은 등급과 함께 확인해야 합니다.
순티타늄은 주로 산소·철 같은 불순물의 허용 한도에 따라 여러 등급으로 나뉩니다. 허용 한도가 높은 등급일수록 강도는 높고 연성과 성형성은 낮아지는 경향이 있습니다. ASTM 규격은 이 구분을 Grade 번호로 표기하며, 등급별 한도는 적용 제품 규격을 따릅니다.
아래 강종 목록의 Grade 5는 Ti-6Al-4V 합금을 가리키는 ASTM 등급 표기입니다. 알루미늄이 α상을, 바나듐이 β상을 안정시키는 α+β형 합금이며, 열처리로 강도를 조절할 수 있어 기계부품과 구조부품에 널리 쓰입니다. 같은 합금 계열이라도 침입형 원소 한도를 더 낮게 제한한 별도 등급이 규격에 있을 수 있으므로, 주문할 때는 Grade 번호까지 정확히 지정합니다.
절삭할 때는 열전도율이 낮아 절삭열이 공구 날 끝에 몰리고, 탄성계수가 강보다 낮아 가공 중 소재가 되튀기 쉽습니다. 이송, 절삭 속도, 냉각 조건을 관리해야 하며, 미세한 절삭분은 발화할 수 있어 취급에 주의합니다.
주요 원소의 역할
- 티타늄(Ti): 기지 원소입니다. 온도에 따라 결정 구조가 α상과 β상으로 바뀌며, 이 변화를 기준으로 합금을 α형·α+β형·β형으로 나누고 열처리 조건을 정합니다. 표면의 산화 피막이 내식성을 줍니다.
- 알루미늄(Al): α상을 안정시키는 원소입니다. 고용 강화로 강도를 높이고 합금 밀도를 낮추며 고온 강도에도 도움이 됩니다. 지나치게 넣으면 취성이 생길 수 있어 함량에 한도를 둡니다.
- 바나듐(V): β상을 안정시키는 원소입니다. 상온에서도 β상이 일부 남아 α+β 조직이 되므로 열처리로 강도를 조절할 수 있고, 열간 가공성도 좋아집니다.
- 산소·질소·탄소(침입형 원소): 소량으로도 강도를 크게 높이지만 연성과 인성을 낮춥니다. 규격은 이 원소들의 상한을 정해 관리합니다.
- 철·수소(불순물 원소): 철은 β상을 안정시키는 성질이 있고, 수소는 소재를 취화시킵니다. 두 원소도 규격에서 상한을 정해 관리하며, 순티타늄 등급은 주로 산소와 철의 허용 한도로 구분합니다.
열처리·공급 상태
- 순티타늄: 조직이 주로 α상이라 철강처럼 열처리로 경화시킬 수 없습니다. 강도는 등급(불순물 한도)과 냉간 가공으로 정해지고, 열처리는 주로 응력 제거와 풀림에 씁니다.
- Grade 5 어닐링 상태: 어닐링한 상태로 쓰는 경우가 많습니다. 강도와 연성의 균형이 필요한 일반 용도에 맞는 상태입니다.
- Grade 5 용체화·시효 처리: β상이 일부 남는 α+β 합금이라 용체화 처리 뒤 시효 처리를 하면 강도를 더 높일 수 있습니다. 다만 경화되는 깊이에 한계가 있어, 단면이 두꺼우면 중심부까지 같은 강도가 나오지 않을 수 있습니다. 이 상태를 적용하려면 도면이나 주문서에 별도로 명시해야 합니다.
- 응력 제거: 절삭·교정·용접 뒤에 남는 잔류응력은 가공 후 변형과 진직도에 영향을 주므로, 필요하면 응력 제거 열처리를 합니다.
- 열처리 분위기: 공기 중에서 고온에 노출되면 산소·질소·수소를 흡수해 표면에 단단하고 잘 깨지는 층(알파 케이스)이 생깁니다. 그래서 열처리는 진공이나 불활성 분위기에서 하고, 생긴 층은 가공 등으로 제거합니다.
- 제품 형태와 표면: 같은 합금이라도 판·봉·관은 적용 제품 규격이 다를 수 있어 합금과 함께 제품 형태를 지정합니다. 산화층 제거 여부, 연삭·절삭 같은 표면 상태, 공급 상태는 도면이나 주문서에 명시합니다.
강종 목록
| 구분 | 강종 |
|---|---|
| 티타늄 합금(ASTM Grade 표기) | Grade 5 |
성분 범위
성분 범위는 적용 규격으로 확인합니다.
대표 용도
- 경량 기계부품: 회전·왕복 운동 부품처럼 질량을 줄여 관성을 낮추려는 부품에 쓰입니다.
- 내식 샤프트·핀·체결부품: 해수나 염화물 환경에서 부식을 견뎌야 하는 부품에 쓰입니다.
- 해양·화학 설비 부품: 밸브·펌프·열교환 설비에서 유체가 닿는 부품처럼 내식성이 필요한 곳에 쓰입니다.
- 항공·우주·의료 분야 부품: 경량, 고강도, 내식성이 함께 필요한 구조부품·체결부품·기기 부품에 쓰입니다.
- 스포츠·고성능 기계 부품: 자전거·레저 용품이나 고성능 엔진·모터스포츠 부품처럼 경량화가 성능에 직접 영향을 주는 곳에 쓰입니다.
이 강종을 다루는 제품군
- 순티타늄 · 티타늄 합금Grade 5