소재의 활용 (1) : 타이타늄(Ti) 합금 특성
안녕하세요. 주식회사 동아특수금속입니다. 최근 티타늄 재료에 대한 수요가 급격히 증가하고 있는데요. 그래서 이번시간은 티타늄 합금의 종류와 합금 소재의 특성에 대해 이야기를 작성해보려 합니다.
티타늄 합금은 타이타늄과 다른 금속(알루미늄, 바나듐, 니켈 등)을 혼합하여 만든 합금 재료이며 이러한 합금은 극한의 온도에서도 매우 높은 인장 강도와 인성을 가지고 있습니다. 또한 무게가 가볍고 탁월한 내식성과 극한의 온도를 견딜 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
티타늄 합금의 종류
Ti 합금은 주로 첨가 원소에 따라 Alpha, Beta형. 그리고 Alpha+Beta형 합금으로 구분됩니다. 각각의 합금은 고유한 물성과 특성을 가지고 있어 용도에 따라 선택적으로 사용됩니다.
1. Alpha형 합금
Alpha형 티타늄 합금은 알루미늄(Al)과 같은 원소가 첨가되어 상온에서 안정된 조밀육방격자(HCP) 구조를 가지고 있습니다. 이 합금은 고온 강도와 내산화성이 우수하며, 용접성도 뛰어나 고온 환경에서 주로 사용됩니다. 하지만 상온에서의 강도는 다른 합금에 비해 낮은 편입니다.
2. Beta형 합금
Beta형 티타늄 합금은 몰리브덴(Mo). 바나듐(V). 크롬(Cr), 철(Fe) 등의 원소가 첨가되어 실온에서 안경된 체심입방격자(BCC) 구조를 가집니다. Beta형 합금은 가공성이 매우 우수하고, 용체화 처리 후 시효처리 과정을 거치면 강도가 크게 증가합니다. 항공기 구조재로 주로 사용되며. 강도와 가공성이 모두 요구되는 부품에 적합합니다.
3. Alpha+Beta형 합금
Alpha형 합금과 Beta형 합금의 강점을 결합한 Alpha+Beta형 합금은 고강도와 고온 안정성을 겸비하고 있습니다. Beta형 합금에 비해 기계가공성이 좋아 생체 재료로도 많이 사용되며, 골프클럽과 같은 스포츠 장비에도 활용됩니다.
티타늄 합금의 종류는 다양하게 많으나, 이 중 Ti 6Al-4V는 상업적으로 가장 많이 사용되며, 특히 항공우주 분야에서는 매우 혁신적인 재질입니다. 상업명으로 Ti 6Al-4V이나 ASTM 분류로는 Grade 5 이며 Ti64로도 쓰이기도 하며 UNS 분류로는 R56400로 분류되어 있습니다. 약 400℃까지 사용되며 높은 강도, 인성, 연성, 용접성, 제작성이 가장 잘 조합된 재료로 평가받고 있습니다.
티타늄 합금의 특성
Ti-6Al-4V는 최대 섭씨 400도의 응용 분야에 사용됩니다. 밀도는 대략 4420kg/m3, 인장 강도는 1000MPa입니다. 이에 비해 어닐링된 유형 316 스테인리스강의 밀도는 8000kg/m3, 계수는 193GPa, 인장 강도는 570MPa입니다. 템퍼링된 6061 알루미늄 합금의 밀도는 각각 2700kg/m3, 탄성률은 69GPa, 인장 강도는 310MPa입니다.
Ti-6Al-4V 표준 사양은 다음 아래와 같습니다.
- UNS: R56400
- AMS: 4911, 4920, 4928, 4934-4935, 4965, 4967, 6930-6931, T9046
- ASTM: B265, B348, B381 F136
- MIL: T9046-T9047
- MMS: 1217, 1233
- DMS: 1570, 1583, 1592, 2285, 2442 R-1
- BMS: 7-348
Ti 과 Ti 합금은 인체와의 친화성이 뛰어나 다양한 의료 기기 및 생체 재료로 사용됩니다. 인공 관절이나 치과 임플란트 등에서 티타늄 합금이 많이 사용되는 이유는 다음과 같은 특성 때문입니다.
1. 경량성과 강도
높은 비강도로 인해 인체에 부담을 주지 않으면서도 충분한 강도를 제공합니다. 특히 인체에 부착되는 인공 관절이나 임플란트와 같은 제품에서는 이러한 경량성과 강도가 매우 중요한 요소입니다.
2. 생체 적합성
인체 내에서 전자를 흘리거나 흡수하지 않기 때문에 체액과 반용하지 않고, 독성 부작용이 없습니다. 또한 표면에 형성된 TiO2 막 덕분에 내식성이 매우 우수해 장기간 인체에 삽입되었를 때도 안정적인 성능를 유지할 수 있습니다.
3. 탄성계수
티타늄 합금의 탄성계수는 인체의 뼈와 비슷하여, 인체와의 적합성이 높습니다. 이를 통해 인공 관절 등의 의료 기기에서 인체에 가해지는 스트레스를 줄여주는 효과를 얻을 수 있습니다. 티타늄과 그 합금은 뛰어난 특성 덕분에 항공, 화학, 의료 등 다양한 분야에서 지속적으로 그 사용 범위가 확대되고 있습니다.
지금까지 티타늄 합금 소재의 특성에 대해 알려드렸습니다. 당사는 적극적으로 티타늄 스크랩을 매입하고 있습니다. 이러한 스크랩들을 매입하여 지난 수년간의 노하우를 바탕으로 특수금속 리사이클링 사업을 영위하고 있습니다. 그리고 재활용된 소재를 통해 티타늄 잉곳, 봉재, 선재를 생산하고자 관련 설비를 운영하고 있는 상황입니다. 언제든 당사로 문의주시면 친절히 상담 드리도록 하겠습니다. 감사합니다.
동아특수금속 소개
동아특수금속은 국내 최초로 타이타늄을 리싸이클링하여 국내외 제강사 및 기업들에 리싸이클링된 제강용 원료를 공급하고 있으며 주로 희소금속 위주의 금속들을 리싸이클링하고 있습니다. 국내에는 아직 희소금속 리싸이클링과 관련된 산업이 발달하지 않아 산업 수준은 해외 선진국들에 비해 미비하지만 꾸준한 연구개발을 통해 다양한 장비를 도입하는 등 국내 희소금속 소재 국산화에 최선을 다하고 있는 회사입니다. 회사와 관련하여 합금을 위한 타이타늄(티타늄) 스펀지 대체품 구입이나, 니켈, 지르코늄, TiAl봉재, Zr봉재, 인코넬625봉재, 인코넬718봉재 등 다양한 희소금속에 대한 논의를 하고자 하신다면 다음 아래의 연락처로 연락주시기 바랍니다.
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