티타늄의 역사
영국의 남단에 위치한 한적한 시골마을인 Manaccan에 노르만인들이 10세기경에 세운 교회가 지금도 마을의 중심에 자리하고 있다.
이 교회에 재직하던 William Gregor 목사는 1790년 어느날 교회 주위로 흘러가는 작은 냇가의 물방아간 (Tregonwell Mill) 앞에서 검은색으로 빛나는 모래를 한 움큼 주어서 유심히 관찰하였다. 그는 자성을 가지고 있는 이 검은색 모래가 당시에 위력적인 화약이 아닐까 생각하고 몇 가지 기본적인 실험을 해 보았으나, 금방 자기 생각이 틀렸다는 것을 알 수 있었다.
과학적 호기심에 충만해 있던 그는 자기가 가지고 있던 모든 기구를 동원하여 이 모래의 정체를 알아내고자 하였다. 그리고는 이 모래에는 철분과 함께 여지껏 알려지지 않은 또 다른 원소가 있다는 것을 알았고, 이를 분석하여 당시에 유명한 독일 학술지에 자신의 지역이름을 딴 "Manachan" 라는 원소의 존재를 알렸다. 목사님이 분석한 모래는 지금은 Ilmenite라고 부르는 FeTiO3 이었다.
헝가리 사람으로 독일의 베르린에서 연구를 하던 Martin Kraproth도 여지껏 알려지지 않은 새로운 원소의 존재를 1795년에 발견하였고, 이 새로운 원소의 이름을 그리스 신화에 등장하는 하늘과 땅의 아들이면서 거인인 Titan이라고 명명하였다.
그리고는 1797년에 두사람이 발견한 원소가 동일한 것이라는 것을 알았고, 이 후로 영국에서는 Titanium으로, 그리고 독일에서는 Titan으로 명명되어 지금까지 사용되고 있다.
티타늄은 산소와의 결합력이 무척 강하여 순수한 금속원소로 추출되어지기 위하여는 Wilerston(1823년), Mueller(1856년), Kilirov(1875년), Hunter(1910년), Van Arkel(1925년) 등과 같은 과학자들의 노력이 필요하였다. 드디어 티타늄을 공업적으로 이용할 수 있는 제조특허가 룩셈브르크에서 미국으로 이주한 야금학자 Kroll에 의해 1940년에 등록되어 1950년부터 산업화될 수 있었다.
현재 우리가 사용하고 있는 대부분의 금속원소는 이러저러한 형태로 2차 세계대전에 참전하였으나, 티타늄 만은 따라서 제외되었다. 그러나 당시에 항공우주계획에 심혈을 기울이던 미국과 소련에 의하여 티타늄은 극비 재료로 연구개발 되어 초음속 전투기, 우주선, 잠수함, 탱크 등과 같은 고성능 병기의 핵심부품으로 냉전체재의 중심 재료가 되었다.
이러한 군수목적의 연구개발의 결과를 실생활에 응용하여 지금은 티타늄 골프크럽, 테니스 라켓, 자전거, 안경테, 시계, 자동차 등으로 우리모두가 가지기를 선망하는 재료로 일상생활 가까이에 다가오게 되었다.
(출처 : '티타늄 (titanium)의 용도' - 네이버 지식iN)
티타늄과 그 합금은 우주항공, 일반산업, 해양분야 및 상업분야 전반에 걸쳐 기술적인 우수성과 경제성이 널리 입증되고 있다. 북미의 경우 티타늄 수요의 약 70%가 우주항공 관련 분야에 적용되고 있다. 현 응용분야의 확산 및 새로운 응용개발로 인해 일반산업, 해양분야 및 상업분야에서 괄목할 만한 성장이 이루어 질 것이다. 현재 티타늄 합금이 응용되고 있는 산업분야를 소개하고자 한다.
GAS TURBINE ENGINES (가스 터빈 엔진 분야)
Fan blades, compressor blades, discs, hubs 및 non-rotor parts 같은 부품들을 포함하는 gas turbine engine의 고효율은 오직 티타늄 합금소재 적용으로 실현 가능하다. 이 분야에 적용되는 티타늄 소재의 장점으로는 중량대비 고강도, 일반 고정 온도하에서의 고강도 그리고 변형이나 조직피로에 좋은 저항성 등을 들 수 있다. 티타늄 aluminide의 개발을 통한 고열부위의 엔진소재로 티타늄의 적용이 새로운 세대를 열게 될 것이다.
HEAT TRANSFER (열교환기 분야) 산업분야
적용되는 티타늄의 주된 용도로는 해수, 염분용액 또는 오염된 용액을 냉각매체로 사용하는 열교환기 분야를 들 수 있다. 티타늄 콘덴샤, 관형 열교환기, 판형 열교환기 등이 발전소, 제련소, 공기 조절 시스템, 화학공장, 해양 플래트폼, 선박 및 잠수함 등에 광범위하게 사용되고 있다. 이 분야에 적용된 티타늄의 수명 및 신뢰성은 발전소 콘덴샤용으로 수백만 피트의 티타늄 용접관이 상기 냉각매체에 부식문제가 전혀 없이 사용되고 있는 사실로서 확인 될 수 있다.
DSA - dimensional stable anode (불용성 전극 분야)
티타늄의 독특한 전기화학적 특성으로 인해 chlorine(염소), chlorite(염소산염) 및 hypo-chlorite(차아염소산염) 생산설비에 최고의 에너지 효율적인 소재로서 사용되고 있다. PULP and PAPER (펄프, 제지 분야) 오폐수 재생 또는 장비의 사용수명 및 안정성에 대한 요구가 절실해 짐에 따라 티타늄은 펄프, 제지공장의 표백설비의 drum washers(드럼세척기), diffusion bleach washers (표백제 분사 세척기), 펌프, 배관시스템 및 열교환기 등에 적용되는 기본소재로 인증되고 있다. 특히 이산화 염화물 분사시스템용으로 개발된 장비에 티타늄 소재가 적용되고 있다.
DESALINATION (탈염설비 분야)
티타늄의 탁월한 내부식, 내침식성 및 높은 응축효율성에 의해 탈염공장의 주요 설비에 가장 경제적이고 신뢰성 있는 소재로 적용되고 있다. 매우 얇은 두께의 티타늄 용접관의 수요 증가로 Copper-Nickel 소재 대비 티타늄의 가격 경쟁력을 높이고 있다.
EXTRACTION and ELECTROWINNING of METALS (금속 적출 및 추출 분야)
티타늄 반응기 사용한 금속적출은 제련공정의 환경 친화적인 대안을 갖을 수 있다. 장비수명연장, 에너지효율상승 및 생산품 고순도화 등의 요인들이 구리, 마그네슘 및 이산화 망간 같은 금속의 전기적출 및 전기제련 공정에 티타늄 전극의 사용을 활발히 조장하고 있다.
MEDICAL (의료 분야)
티타늄 소재는 인공이식, 외과장비, 맥박조정기 케이스 또는 원심분리기 등에 널리 쓰이고 있다. 티타늄은 고강도 및 낮은 탄성계수는 물론 체액의 생리적 거부현상에 대한 저항성 등 모든 금속 중 가장 생체 친화적인 특성을 갖고있다.
HYDROCARBON PROCESSING (탄화수소 공정 분야)
설비 보수 및 가동중지등과 관련된 설비의 수명연장의 필요성 때문에 제련소, LNG 공장 및 해양 플랫트폼의 열교환기, vessel, 배관시스템 등에 티타늄 소재의 적용이 선호되고 있다. 티타늄은 탄화수소, H2S, 염수 및 CO2 에의한 보편적인 영향이나 피로부식에 의한 crack등에 저항성을 갖고있다.
FLUE GAS DESULFURIZATION ---FGD (탈황설비 분야)
티타늄은 배기가스 탈황설비 등 환경오염 방지 분야에 탁월한 내부식성을 바탕으로 활발히 응용되고 있다.
MARINE APPLICATION (선박 분야)
티타늄 소재의 견고성, 고강도 및 극단적인 내부식성 때문에 잠수함 선체, ball valve, 화재펌프, 열교환기, 주조물, 심해잠수정 선체, water-jet 추진시스템, 제트추진 전향장치, 배기/환기관, 수직어뢰발사대, 잠수함 격납고 출입문,갑판 냉각장치 및 해수 배관시스템 등에 현재 널리 쓰이고 있다.
CHEMICAL PROCESSING (화학 분야)
질산, 유기산, chlorine dioxide (이산화염소?), inhibited 환원제 및 황화수소 등의 aggressive 화합물 처리를 위한 티타늄 소재의 vessel, 열교환기, 탱크, 교반기, 냉각기 및 배관시스템 등이 널리 쓰이고 있다
STEAM TURBINE (스팀터빈 분야)
발전설비 가동중단 요인의 약 30% 이상이 스팀터빈 설비의 이상으로 야기되는 것으로 나타나 있다. Wilson Line장치의 터빈 blade에 티타늄 Gr. 5 (6Al-4V)소재를 사용함으로써 가동중단 및 보수 기간을 단축시킨 반면 저압스팀터빈의 효율 및 수명이 향상된다.
AUTOMOTIVE (자동차 분야)
티타늄 소재는 고성능 자동차의 valves, valve spring, rocker arm, connecting rod 및 frame 같은 부품들에 이미 널리 응용되고 있다. 상업차 엔진의 train valve에 티타늄 소재를 적용함으로써 4% 에 이르는 연비향상을 이루었다는 비교결과가 입증되었다. 이런 요인으로 티타늄 valve train 부품들이 현재 몇몇 상업엔진에 응용평가되고 있다.
CASTINGS (주조 분야)
상업적인 주조품 생산은 60연대 말부터 시작되었으며 현재의 주조기술은 가스터빈 엔진, air frame, 화학공정 및 해양관련 주요 제품에 통상적으로 적용하는 단계에 까지 성숙되었다. 주조품은 각 수요자에 접근할 수 있는 net shape기술의 가장 상업적으로 진보되고 다양함을 제공한다. 디자인의 다양성 제공은 물론 요구형태로 가공 시 야기되는 비싼 소재의 가공손실을 절감할 수 있다. 정밀 lost wax 금형이나 rammed graphite (sand) 금형시스템이 적용된다. 일반적으로 우주항공용 부품들은 별도의 금형이 필요로 하는 반면 일반 철부품을 생산키 위한 같은 금형을 때로는 티타늄 화학펌프나 벨브부품 생산용으로 가끔 사용하기도 한다. 티타늄 주조품의 물리적 특성은 일반적으로 그 원자재의 것에 필적한다. 견고성 및 crack 저항성등은 일반적으로 월등하며 고피로주기가 통상적으로 약간 낮은 반면 강도는 거의 같다. 70년대 말 hot isostatic pressing (HIP) 주조법의 출현으로 x-ray 검사시 통상 검색되는 주조물 내부의 수축기공 문제점을 해결할 수 있게 되었다. 이 HIP 주조 공정은 주조품 내부기공이 닫히고 diffusion bonding 되게 한다. 이에 따른 티타늄 주조품의 품질확신이 커짐과 비례하여 그 응용이 비약적으로 증가하게 되었다.
SPORTS EQUIPMENT (스포츠 분야)
티타늄 골프 샤프트, 테니스 라켓 프레임, 당구 큐 프레임, 야구 배트 및 자전거 프레임 등이 현재 Ti-3Al-2.5V 합금소재로 가공되어지고 있다. Ti-3Al-2.5V 합금은 스포츠용 소재로 적합한 특성을 갖고 있음이 입증되었다; 즉, 중량대비 고강도, 우수한 내부식성, 낮은 탄성계수 및 dampening 특성 등을 들 수 있다.
AEROSPACE (항공기 분야)
항공기 가스터빈 엔진이 단일품으로는 현재 최대의 티타늄 수요품이다. 최신 기종의 제트엔진의 경우 전체 net중량의 약 20-30%가 티타늄 합금소재로 만들어져 있다. 그 외의 티타늄 사용부품으로는 blade, disc 또는 hub, inlet guide vane 및 케이스 등을 들 수 있다. 티타늄은 590˚C 정도 까지의 온도에서 운전되는 엔진부품의 가장 보편적인 소재로 선택되고 있다.
AIRFRAME (항공기체 분야)
민간용 및 군사용 항공기체 분야에서 티타늄 합금소재는 알루미늄, 니켈 및 철합금 소재등에 효율적으로 경쟁하고 있다. 예를들면, 전체 티타늄 소재로된 SR 71은 아직도 모든 항속 및 고도 기록기를 장악하고 있다. 또한 항공기체 구조의 전분야에 걸쳐 적용되고 있다; 즉, 거대하고 높은 압력을 받는 단조된 날개구조물들, 랜딩기어 부품들, 주요 소형 볼트류, 스프링류 그리고 수압 tubing 등을 들 수 있다. 항공기체나 엔진용으로 티타늄 소재가 선택되는 근거로는 티타늄의 대표적인 특성인 중량대비 고강도로 인한 동체중량 감소효과 및 타 구조물소재와 비교되는 탁월한 내부식성을 들 수 있겠다.
SPACE (우주항공 분야)
초기 Mercury 및 Apollo 우주선에서부터 널리 적용되기 시작한 티타늄 소재는 군사용 및 NASA 우주계획에 광범위하게 공헌해 오고 있다. 유인우주선의 경우 티타늄 합금은 solid rocket booster case, guidance control pressure vessel 그리고 기타 저중량 및 소재의 신뢰성이 요구되는 다양한 부품들에 넓게 적용되고 있다.
NUCLEAR WASTE STORAGE (방사성 페기물 처리 분야)
방사성 폐기물은 반드시 수백년간 안전하게 폐기저장 되어야 한다. 티타늄은 자연 발생되는 방사성 유동액에 높은 저항성을 가지고 있어 방사폐기물처리 다층방벽시스템에 최우선적으로 추천되고 있다.
THICK SECTION TITANIUM (중량물 분야)
중량물은 대게 100mm(t) 이상의 단조 또는 압연두께의 가공물을 말한다. 티타늄 합금소재는 중량가공이 요구되는 항공기체 부품 및 PWA나 GE사의 고속 우회로 젯트엔진용 fan disk 그리고 단조된Sikorsky 헬리콥터 회전익등과 같은 회전체 부품에 성공적으로 사용되고 있다. 관련 주요 기본적인 티타늄 합금으로는 Ti-6Al-4V (annealed 또는 solution treated & over aged); 유사 베타합금 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4M0-4Cr 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (solution treated aged); 베타합금 Ti-13V-11Cr-3Al 및 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (solution treated aged) 를 들 수 있다. 현재까지 가장 많이 중량품이 적용된 단일사업으로는 Ti-13V-11Cr-3Al 합금을 사용한 SR-71 Blackbird로 나타나 있다. 이 사업에서 Lockheed 기술진들은 티타늄합금 선택의 이유로 운전온도를 견딜 수 있는 소재로는 티타늄과 스텐레스이나 Ti-13V-11Cr-3Al 합금의 중량은 평방인치당 스텐레스의 절반정도인 반면 최고강도는 스텐레스와 거의 같은 점을 기술하고 있다. 만약 통상적인 가공기술을 적용했다면 Ti-13V-11Cr-3Al을 필요로 한 부품은 거의 몇 가지 되지도 않았을 것이다. 티타늄 합금은 조직피로 및 분열에 우수한 견고성이 있어 중량물 전 두께에 걸쳐 (두께100mm-150mm는 물론 200mm 까지) 균일성을 유지하기 때문에 이런 중량물에 스텐레스 등 철합금소재 대비 우수한 대체소재로 유용하게 활용되고 있다
(출처 : '티타늄 (titanium)의 용도' - 네이버 지식iN)
첨단 기법 이용한 티타늄 생산
[출처 : Journal of Metals : 2001년 09월호]
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Roskill이 새로 발간한 "티타늄 금속의 경제성"이라고 하는 보고서에 따르면, 보다 저렴한 티타늄 생산품을 첨단 공정 기술과 금속 분말 야금 기법, 레이저 성형 기법을 이용해서 제작할 수 있을 것으로 분석됐다. 티타늄 스펀지를 생산하기 위해서 FCC Cambridge의 연속적인 전해 공정(continuous electrolytic process)이라는 첨단 기법을 이용한다면 보다 빠르고, 보다 저렴한 가격으로 생산을 상용화할 수 있을 것이라고 Roskill 사는 기대하고 있다.
현재 티타늄은 사용자가 요구하는 엄격한 규격을 가지는 분야에 주로 사용되는 매우 특수한 소재로 알려져 있다. 이들 분야에 대한 소재의 공급은 한정되어 있거나 예측이 어려운 실정이다. 분말 야금 기법과 레이저 성형법, 주조법 등 최첨단의 기법이 병행돼서 개발된 공정을 적용한다면, 새로운 제품에 사용될 티타늄이나 티타늄 합금을 매우 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다고 Roskill 사는 기대하고 있다.
한편 Roskill 사는 업계에서 티타늄의 사용량이 보다 저렴한 가격에 힘입어서 급격히 증가할 경우 이러한 첨단의 기법이 보다 빠른 시기에 사용될 가능성도 있다고 전망하고 있다. 이렇게 사용량이 증가함에 따라서 가격이 급격히 상승할 우려가 있지만, 현재 우크라이나와 카자흐스탄, 러시아 등에서 티타늄 스펀지 산업이 회복세를 보여도 공급이 부족하거나, 가격이 급상승하지는 않을 것이라고 Roskill사는 보고 있다. 그러나 Roskill 사는 이들 나라에서의 개발로 인해서, 티타늄 부품의 가격이 현저히 떨어지지는 않을 것이라고 전망하고 있다.
또한 향후 10년 동안 F22와 Eurofighter, Joint Strike Fighter, Rafale Fighter aircraft에 사용될 티타늄의 양은 현재의 양과 거의 비슷한 수준이 될 것이라고 Roskill 사는 관측하고 있다. F22의 경우 전체 비행기 무게의 39%를 티타늄이 차지하고 있으며, 2004년까지의 F22 생산에 소요되는 티타늄의 양은 어느 비행기 보다 많다고 알려졌다.
2000년 티타늄과 티타늄 합금의 전세계 소요량은 약 56,000톤에 이르며, 티타늄-철(ferro-titanium)과 다른 합금에서의 티타늄 소모량은 약 29,000톤에 이른다. 미국에서 티타늄 소모량은 전세계의 약 40%를 차지하며, 일본은 약 10%이며, 영국과 독일의 티타늄 소모량은 각각 9%에 이른다고 Roskill사가 발표했다. - (wingzing@dreamx.net)
(출처 : '(내공50) 티타늄(titanium)의 흥미로운 점을 알려주세요' - 네이버 지식iN)
티타늄합금의 특성
주기율표 4A족에 속하는 티탄족 원소. 티타늄이라고도 한다. 원소기호 Ti. 원자번호 22, 원자량 47.88±3, 지각 중의 존재도는 0.57％로서 9위이다. 비중 4.50, 녹는점 1675℃, 끓는점 3260℃이다. 영국의 W. 그레고르는 1789년 콘월 지방의 메나칸산(産)의 사철(沙鐵；티탄철석) 속에서 새로운 금속의 존재를 추정하여 메나친(menachin)이라고 이름지었다. 또 독일의 M.H. 클라프로트는 94년 루틸(금홍석)에서 새 원소를 발견하여 그리스 신화의 거인족 이름을 따서 티탄이라 명명하였다. 97년에는 메나친과 동일한 것임을 밝혀냈는데, 그레고르의 우선권을 인정하고 그 뒤 이 원소를 티탄이라고 부르게 되었다. 처음에는 금속을 추출할 수 없었으나, 1825년 J.J. 베르셀리우스가 플루오르착염을 금속칼륨으로 환원하여 분리하였다. 1935년 네덜란드의 A.E. 반 아르켈이 요오드화티탄의 열분해법으로 비교적 순수한 티탄을 만들었는데, 이것이 매우 뛰어난 성질을 지닌다는 것이 밝혀진 뒤 많은 연구가 계속되었으나 고온에서 산소와 질소, 공기 속의 수분과 쉽게 결합하므로 홀원소물질[單體(단체)] 금속을 얻는 것은 어려웠다. 1940년 독일의 W.J. 크롤이 염화티탄(Ⅳ) TiCl의 마그네슘 환원법, 즉 크롤법을 발명한 뒤부터 탄소·질소 및 산소의 금속티탄이 공업적으로 쓰였다.
●이전에는 희유원소(稀有元素)로 분류되었으나, 지각 속의 존재도가 높고 매우 널리 분포하며, 대부분의 암석·토양 속에는 산화티탄(Ⅳ) TiO로 약 0.6％가 함유되어 있는 원소이다. 자연계에 존재하는 광석은 루틸·판(板) 티탄석·아니타제(모두 TiO가 주성분), 티탄철석·사철(沙鐵；철과 티탄의 산화물, 즉 티탄철석을 함유)등이다. 그리고 아폴로 11호가 가지고 돌아온 월석(月石)에는 티탄이 10％ 정도 함유되어 있는 것이 밝혀져 주목을 끌었다.
●은백색의 금속으로, 마그네슘·알루미늄 다음으로 가벼우며 전연성(展延性)이 높고, 기계적 성질이 뛰어나다. 비강도(比强度；강도/비중)는 보통강철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배나 된다. 내열성도 좋아서 500℃ 정도까지 항복점이 높다. 내식성도 매우 뛰어나 산(酸)이나 바닷물 등에 견딘다. 특히 바닷물에는 백금만큼 잘 견디는데, 이것은 티탄 표면에 형성되는 산화피막에 의한 것이다. 공기 중에서는 안정하지만 산소 속에서 강하게 가열하면 TiO가 된다. 할로겐과 가열하면 반응하는데, 산에서는 철보다 잘 녹지 않는다.
●홑원소물질 금속은 크롤법으로 제조된다. 티탄철석을 원료로 하는 경우에는 미리 철을 분리하는데, 여기에는 전기로(電氣爐)에서 철을 환원하여 TiO를 주성분으로 하는 티탄 슬래그를 만드는 방법, 질산으로 철을 용출하는 방법, 선택염소화로 철만을 염화물로 하여 제거하는 방법 등이 있다. 크롤법에서는 먼저 TiO를 탄소와 함께 염소가스와 반응시켜 TiCl로 만든다.
TiO＋2Cl2C→ TiCl＋2CO
TiCl의 불순물을 증류법으로 제거한 뒤 금속마그네슘에 의하여 금속티탄으로 환원하는데, 이때 반응온도는 약 900℃이다.
TiCl(기체)＋Mg(액체) → MgCl(액체)＋Ti(고체)
금속티탄은 스펀지모양으로 생성되는데, 붙어있는 염화마그네슘·금속마그네슘 등을 진공에서 제거한 뒤 진공 속이나 비활성기체 속에서 소모전극식의 아크 용해법으로 티탄을 만든다. 높은 순도의 것이 필요할 때는 티탄을 요오드와 250∼300℃에서 반응시켜 요오드화티탄으로 만들어 그 증기를 1100∼1500℃에서 열분해 하는 요오드화물법으로 99.96％의 고순도 티탄을 만든다.
●가볍고 강도가 크며, 내열·내식성에 뛰어나 강력합금으로 항공우주산업 등에 널리 쓰인다. 그리고 화학공업설비, 특히 반응기기·열교환기·밸브 등의 내식재료로 쓰인다. 또 전기분해용 전극, 화력발전용 복수관(復水管), 해수 담수화장치 및 공해방지장치·해양개발기기 등에 대한 용도도 늘어나고 있으며 홑원소물질이나 니오브 등과의 합금으로 초전도 재료로도 쓰인다. (출처 : '티타늄합금의 특성' - 네이버 지식iN)
일본의 티타늄 활용
가볍고 강한 금속인 티타늄이 항공기에서부터 안경테에 이르기까지 다양한 응용으로 인해 많은 관심을 끌고 있다.
금속의 역사는 구리로부터 철로, 다시 철로부터 알루미늄으로 이전됐다. 그러나 21세기는 티타늄의 시대가 될 것으로 보인다고 한 금속산업 관계자는 말했다.
교토 카미교구(Kamigyo Ward)의 기타노 텐망구(Kitano Tenmangu) 사당에는 아름다운 청록색 지붕을 자랑스럽게 이고 있는 사원 박물관이 있어 엄숙한 분위기를 연출하고 있다. 사당의 한 사제는 "이 빌딩은 국보들을 보관하고 있어 지붕의 내구성을 중요시한 것이지만 외관의 아름다움 또한 매우 자연스러운 느낌을 준다"고 말했다.
티타늄의 주요 특징은 산화금속으로 코팅할 경우 다양한 외관을 연출할 수 있다는 점이다. 즉, 코팅의 두께의 변화를 주어 빛의 반사를 조절해 여러 가지 색을 나타낼 수 있는 것이다.
티타늄 사용의 역사는 매우 짧다. 미국의 과학자들이 순수한 티타늄을 얻은 때는 1910년이었다. 그 이유들 중 하나는 티타늄광으로부터 불순물을 제거하는 것이 매우 어려웠기 때문이다. 1946년에 제련법이 확립된 후 티타늄은 실제적인 용도에 보다 광범위하게 사용되기 시작했다. 그 후 티타늄은 4천년 내지 6천년의 역사를 자랑하는 구리와 철과 견줄 만한 금속공업의 새로운 소재가 됐다.
일본에서는 고베철강(Kobe Steel Ltd.)이 1949년 티타늄의 생산을 고려하기 시작해 1956년 최초로 실제생산하기 시작했다. 그 후 티타늄의 응용분야는 빠르게 확산됐다. 우선 티타늄은 주로 미국에서 엔진과 비행기 부품의 소재로 사용됐고, 일본에서는 화학공장의 열 교환기 및 열발전소의 스팀콘덴서의 소재로 쓰였다.
그러나 1990년대 이후 티타늄은 고급스럽고 멋있는 외관상 특징으로 골프클럽, 장신구, 시계, 안경테 등의 일상 소비제품에도 사용되고 있다. 또한 티타늄은 인체에 이식됐을 때 염증을 거의 일으키지 않기 때문에 인조뼈를 제조하는데 사용된다. 최근 티타늄은 모터사이클의 배기관을 제조하는 데도 쓰인다.
건축소재로서 티타늄은 후쿠오카 돔의 천장과 도쿄전망대(Tokyo Big Sight)의 바깥벽에 사용됐다. 티타늄의 출하량은 증가하고 있다. 일본 티타늄협회에 따르면. 티타늄 금속의 원료인 스폰지 티타늄(sponge titanium)의 출하량은 2000년 20,000톤에서 2001년 26 ,000톤으로 증가했다. 굴곡 티타늄(bent titanium)과 연신 티타늄의 출하량도 같은 기간 동안 12,750톤에서 15,000톤으로 늘었다. 이 통계는 티타늄 시장이 최근의 경기후퇴의 영향을 받지 않고 있음을 말해준다.
앞으로 티타늄 시장이 성장하는데 장애요소는 상대적인 고가이다. kg당 티타늄이 2,000엔을 호가하는데 비해 스테인레스강은 200 내지 300엔에 불과하다. 그러나 티타늄의 용도가 더욱 광범위해지면 가격도 낮아질 수 있을 것이다. 가장 전망이 좋은 예상 용도는 녹이 거의 나지 않는 장점을 살린 건축용 소재이다.
현재 10톤 규모의 실험용 어선을 건조중인 티타늄협회는 이미 국립해운연구소와의 공동연구로 티타늄이 선체용 소재로 사용될 수 있을 만큼 충분히 강도가 우수함을 확인했다. 한편 협회는 굴곡 및 연신용 티타늄의 출하량을 2009년까지 30,000톤으로 늘리려는 목표를 세우고 있다. 협회의 대표이사는 "티타늄은 거의 영구적인 내부식성이 있으며, 유지보수가 거의 필요하지 않고 재활용이 가능하기 때문에, 환경적 관점에서 21세기의 금속이라고 할 만하다"고 말했다.
내용출처 : http://youngsig.netian.com/database/kordic/2002/mat20020801.html
(출처 : '티타늄에 대한 질문입니다' - 네이버 지식iN)
주기율표 4A족에 속하는 티탄족 원소. 티타늄이라고도 한다. 원소기호 Ti. 원자번호 22, 원자량 47.88±3, 지각 중의 존재도는 0.57％로서 9위이다. 비중 4.50, 녹는점 1675℃, 끓는점 3260℃이다. 영국의 W. 그레고르는 1789년 콘월 지방의 메나칸산(産)의 사철(沙鐵; 티탄철석) 속에서 새로운 금속의 존재를 추정하여 메나친(menachin)이라고 이름지었다. 또 독일의 M.H. 클라프로트는 94년 루틸(금홍석)에서 새 원소를 발견하여 그리스 신화의 거인족 이름을 따서 티탄이라 명명하였다. 97년에는 메나친과 동일한 것임을 밝혀냈는데, 그레고르의 우선권을 인정하고 그 뒤 이 원소를 티탄이라고 부르게 되었다. 처음에는 금속을 추출할 수 없었으나, 1825년 J.J. 베르셀리우스가 플루오르착염을 금속칼륨으로 환원하여 분리하였다. 1935년 네덜란드의 A.E. 반 아르켈이 요오드화티탄의 열분해법으로 비교적 순수한 티탄을 만들었는데, 이것이 매우 뛰어난 성질을 지닌다는 것이 밝혀진 뒤 많은 연구가 계속되었으나 고온에서 산소와 질소, 공기 속의 수분과 쉽게 결합하므로 홀원소물질[單體] 금속을 얻는 것은 어려웠다. 40년 독일의 W.J. 크롤이 염화티탄(Ⅳ) TiCl의 마그네슘 환원법, 즉 크롤법을 발명한 뒤부터 탄소·질소 및 산소의 금속티탄이 공업적으로 쓰였다.
1 존재
이전에는 희유원소(稀有元素)로 분류되었으나, 지각 속의 존재도가 높고 매우 널리 분포하며, 대부분의 암석·토양 속에는 산화티탄(Ⅳ) TiO로 약 0.6％가 함유되어 있는 원소이다. 자연계에 존재하는 광석은 루틸·판(板) 티탄석·아니타제(모두 TiO가 주성분), 티탄철석·사철(沙鐵;철과 티탄의 산화물, 즉 티탄철석을 함유)등이다. 그리고 아폴로 11호가 가지고 돌아온 월석(月石)에는 티탄이 10％ 정도 함유되어 있는 것이 밝혀져 주목을 끌었다.
2 성질
은백색의 금속으로, 마그네슘·알루미늄 다음으로 가벼우며 전연성(展延性)이 높고, 기계적 성질이 뛰어나다. 비강도(比强度; 강도/비중)는 보통강철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배나 된다. 내열성도 좋아서 500℃ 정도까지 항복점이 높다. 내식성도 매우 뛰어나 산(酸)이나 바닷물 등에 견딘다. 특히 바닷물에는 백금만큼 잘 견디는데, 이것은 티탄 표면에 형성되는 산화피막에 의한 것이다. 공기 중에서는 안정하지만 산소 속에서 강하게 가열하면 TiO가 된다. 할로겐과 가열하면 반응하는데, 산에서는 철보다 잘 녹지 않는다.
3 제법
홑원소물질 금속은 크롤법으로 제조된다. 티탄철석을 원료로 하는 경우에는 미리 철을 분리하는데, 여기에는 전기로(電氣爐)에서 철을 환원하여 TiO를 주성분으로 하는 티탄 슬래그를 만드는 방법, 질산으로 철을 용출하는 방법, 선택염소화로 철만을 염화물로 하여 제거하는 방법 등이 있다. 크롤법에서는 먼저 TiO를 탄소와 함께 염소가스와 반응시켜 TiCl로 만든다.
TiO＋2Cl2C→ TiCl＋2CO
TiCl의 불순물을 증류법으로 제거한 뒤 금속마그네슘에 의하여 금속티탄으로 환원하는데, 이때 반응온도는 약 900℃이다.
TiCl(기체)＋Mg(액체) → MgCl(액체)＋Ti(고체)
금속티탄은 스펀지모양으로 생성되는데, 붙어있는 염화마그네슘·금속마그네슘 등을 진공에서 제거한 뒤 진공 속이나 비활성기체 속에서 소모전극식의 아크 용해법으로 티탄을 만든다. 높은 순도의 것이 필요할 때는 티탄을 요오드와 250∼300℃에서 반응시켜 요오드화티탄으로 만들어 그 증기를 1100∼1500℃에서 열분해 하는 요오드화물법으로 99.96％의 고순도 티탄을 만든다.
4 용도
가볍고 강도가 크며, 내열·내식성에 뛰어나 강력합금으로 항공우주산업 등에 널리 쓰인다. 그리고 화학공업설비, 특히 반응기기·열교환기·밸브 등의 내식재료로 쓰인다. 또 전기분해용 전극, 화력발전용 복수관(復水管), 해수 담수화장치 및 공해방지장치·해양개발기기 등에 대한 용도도 늘어나고 있으며 홑원소물질이나 니오브 등과의 합금으로 초전도 재료로도 쓰인다.
(출처 : '티타늄이 뭐죠?' - 네이버 지식iN)
티타늄합금
티타늄이 강하다고 하는 것은 절대적인 것은 아닙니다.
강도 또는 경도 값은 탄소강이 더 높습니다. 티타늄의 장점은 무게와 내부식성에 있습니다. 티타늄의 밀도는 철의 60%가 채 되지 않습니다. 또한 부식이 거의 되지 않아 부식성이 강한 화공약품의 공정에 사용되는 파이프나 용기 등에 사용됩니다.
어떤 순수한 금속을 합금으로 만드는 것은 성질을 목적에 맞게 바꾸기 위한 것입니다. 대표적인 성질로서는 강도, 열팽창계수, 부식성, 가공성 등이 있겠습니다.
티타늄(Ti)의 경우 합금의 종류도 여러 가지입니다만 그 중 하나로 Ti6Al4V가 있습니다. 이것은 (티타늄+알루미늄(6%)+바냐듐(4%))로 만들어집니다. 이것의 강정은 강도입니다. 밀도는 원래 소재인 Ti보다 약간 작고 강도는 티타늄이 140MPa 인데 반해 Ti6Al4V는 880MPa가 됩니다. 즉 강도가 약 6배 큽니다. 상당히 차이가 많이 나죠?
티타늄은 상당히 가격이 비쌉니다. 순수한 티타늄은 가격에 비해 강도가 충분하지 않습니다. 힘을 많이 받는 부분에 사용되는 경우 티타늄합금을 사용합니다.
(출처 : '티탄(티타늄)에 합금을 하는 이유??' - 네이버 지식iN)
티타늄 합금은 얼마나 단단하나요?
티타늄은 고강도, 고경량, 고내식성 등의 특징을 가지고 있어 항공우주 산업, 석유화학장치 산업 등에 주로 이용되어 왔다. 또한 구조용 재료로서 용도가 넓어져 가고 있다. 즉 내식재료로서 비료 공장의 합성탑, 각종 밸브와 배관, 계측기류, 열 교환기 등에 이용되고 있으며, 티타늄의 생체적합성이 우수하여 가볍고, 견고한 특성 때문에 의료용 부품, 안경테, 손목시계, 골프 클럽 등에도 용도가 급속히 넓어지고 있다. 비용적인 측면에서 고가금속으로 인식되기도 했었으나 티타늄은 적용 후에 긴 수명을 유지할 수 있어 현재는 궁극적으로 판단할 때 경제적인 소재로서 인식되고 있다.
티타늄은 지구 지각의 0.6%를 차지하고 있어서 4번째로 풍부한 금속자원이다.
원광석 중에서 공업적가치가 있는 것은 금홍석(rutile,TiO2-60% Ti)과 티탄철광(Ilmenite, TiO2.FeO-20%Ti)이다.
티타늄을 생산하기 위해선 첫 단계로 보통 rutile (TiO2)형태의 원광을 coke 또는 tar와 혼합한 후 chlorinator에서의 charge공정을 거쳐 먼저sponge로 만든다. Charge시 열이 가해지고 염소가스가 살포된다. 이때 티타늄 원광이 염소와 반응하여 TiCl4 (Titanium Tetrachloride)화 되고 산소는 CO 또는 CO2화되어 제거된다. 이때 생성된 TiCl4는 무색액체 형태이며 연속적인 분별증류에 의해 정제된다. 그 후 불활성 환경하에서 magnesium 또는 sodium과 반응하게 된다. 그 결과로 금속형태의 티타늄 sponge가 얻어 지게 되며 magnesium이나 sodium chloride는 재생산 또는 재생 공정으로 가게 된다.
용해공정은 둘째 단계이다. 티타늄sponge는 적절한 화학성분을 갖기 위해 필요한 elements와의 혼합파쇄 공정을 거쳐 ingot화 된다. 그 후 briquette형태로 pressing 을 거쳐 서로 용해되어 electrode 형태로 된다.
이 electrode는 consumable electrode vacuum arc furnace에서 재용해되는데 이때 arc가 수냉된(water-cooled) 구리용해로(copper crucible) 내부의 electrode 티타늄 층 사이사이를 관통 간섭하게 된다. 이때 electrode외부표면의 용해된 티타늄이 냉각된 용해로 벽과 만나 응고되어 용해물을 담을 수 있는 일종의 껍질 또는 골격을 형성하게 된다. 용해로 내부의 진공상태 하에서 Ingot는 유체상태가 아니라 고형화되어 응고되어 Ingot로 형성된다. 최종 형성된 Ingot의 성분 균일성을 확신키 위해 2차 또는 가끔 3차에 이르는 재용해 조치를 취하기도 한다.
몇 가지 더 말씀드리자면 티타늄의 밀도는 강(Steel)의 60%에 정도이고, Modulus는 강(Steel)의 55%정도이며 특히 -200~600의 온도 범위에서는 어떤 공업용 합금보다 비강도(강도/비중)가 우수하다.
티타늄의 비중은 4.51로서 동이나 니켈의 약 50%에 해당합니다.
스텐레스의 약 60%로 대단히 가볍기 때문에 구조물의 중량을 경량화 할 수 있습니다.
열전도는 스텐레스 정도입니다 열팽창은 스테인레스의 1/2정도입니다.
비중이 스텐레스 1/2정도 가볍습니다. 내식성은 발군, 대기중, 해수에서는 절대 녹이 슬지 않습니다.
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