티타늄 및 그 합금은 높은 비강도, 우수한 고온 및 저온 성능, 내식성 등의 장점을 가지고 있지만; 올바르게 사용하지 않고 강점을 활용하지 못하고 약점을 피한다면 여전히 기대한 결과를 달성하지 못하지만 오히려 과도한 손실을 초래하게 됩니다. 티타늄을 올바르게 사용하는 방법은 무엇입니까? 티타늄 재료를 선택할 때는 다음과 같은 문제 범주에 따라 신중하게 고려해야 합니다.
1. 부식성 환경 산업용 순수 티타늄 및 기타 티타늄 합금은 중성, 산화 환경에서 우수한 내식성을 갖습니다. 약한 환원 환경에서도 수동적인 상태를 유지합니다. 강한 환원성 산에 부식됨; 그러나 부식 방지제와 공존하는 환원 환경에서는 왕수에서도 내식성이 우수합니다. 고온염, 습윤염소가스, 질산, 각종 표백제 등 부식성 환경에서 내식성을 가집니다. 티타늄은 수 볼트에서 양극으로 수동적이므로 양극 처리, 전기 분해 및 전기 도금에 활용됩니다. 해수에서 공식 및 틈새 부식이 발생하지 않습니다. 응력 부식 파열, 접촉 부식 및 마모에 대한 저항력이 더 높습니다. 개미산(비환기) 등을 제외한 유기산에 대한 내식성이 우수합니다. 용접으로 인해 티타늄의 내식성이 거의 저하되지 않습니다. 티타늄은 위의 부식성 매체에서 내식성이 우수하지만; 그러나 내식성 재료로 티타늄을 선택할 때 다음 사항에 주의해야 합니다.
(1) 공업용 순수 티타늄은 고온 정적 상태에서 질산 용액의 용해도가 높고 내식성이 우수합니다. 그러나 질산 용액의 흐름에서는 4가 티타늄 이온의 부식 억제 역할과 부식이 부족하기 때문에 종종 발생합니다. 따라서 이러한 환경에서는 티타늄을 사용해야 하며 Ti{1}}Ta 합금을 선택해야 합니다.
(2) 티타늄은 해수 및 염화물 용액에서 공식(pitting)이 발생하지 않습니다. 그러나 염화마그네슘, 염화알루미늄, 염화구리, 염화아연 및 염화칼슘 비등 용액 피팅을 함유하고 있습니다. 90도 이상의 해수 온도에서 산업용 순수 티타늄은 틈새 부식의 가능성이 있으므로 이러한 환경에서는 Ti{2}}.2Pb 합금을 선택하는 것이 좋습니다.
(3) 염소를 함유한 탄화수소의 공업용 순수 티타늄, 불소 탄화수소는 부식되지 않습니다. 그러나 물, 가수분해 및 염산 및 불산의 경우 티타늄이 부식됩니다. 탄화수소가 고온에서 분해되어 수소를 생성할 때 티타늄은 수소를 흡수하여 수소 취성을 생성할 수 있습니다.
(4) 티타늄은 습한 염소 가스(물 1% 이상 함유) 및 이산화황, 이산화탄소, 황화수소 등과 같은 가스에 의해 부식되지 않습니다. 그러나 건조 염소 가스에서는 부식이 발생합니다. 화재 및 자연발화의 원인이 됩니다. -253 ~ 93 도의 온도 범위에서 티타늄은 수소 및 과산화질소에 대한 내식성이 우수합니다. 그러나 기체 산소, 액체 산소 및 수용액의 산소 분압이 높으면 티타늄 화재 자연 발화를 일으킬 수도 있습니다. 이러한 환경에서 티타늄을 사용할 때는 주의가 필요합니다.
(5) 공업용 순수 티타늄은 일반적으로 응력 부식 파열이 발생하지 않습니다. 그러나 메탄올, 에탄올 기반 유기용제에는 미량의 염산이 포함되어 있으며 발연 질산에는 응력 부식 파열 또는 화재 자연 연소가 발생하기 쉽습니다.
(6) 티타늄과 낮은 전위의 금속 접촉, 낮은 전위의 금속 부식. 부식 정도는 티타늄과 접촉하는 금속 표면적의 비율에 따라 달라집니다.
(7) 티타늄은 pH 값이 9보다 큰 알칼리에 대해서도 내식성이 우수합니다. 그러나 티타늄은 고온에서 수소가 부서지는 경향이 있기 때문에 저온에서 잿물에만 사용됩니다. 잿물에 유리 염소가 포함되어 있으면 잿물에 대한 티타늄의 내식성이 향상됩니다. 반대로, 잿물에 산소와 암모니아가 포함되어 있으면 티타늄의 잿물 부식이 악화됩니다.
2. 티타늄의 화학적, 물리적, 기계적 특성의 특징
티타늄 및 티타늄 합금과 기타 금속은 고유한 특성을 지닌 화학적, 물리적, 기계적 특성을 가지고 있습니다. 일부 특성은 탄소강, 스테인레스강 및 기타 철금속과 다릅니다. 또한 일반적으로 사용되는 비철금속(알루미늄, 납 등)과도 다릅니다. 따라서 티타늄을 사용할 때에는 다음과 같은 특성에 주의해야 합니다.
(1) 티타늄은 화학적으로 매우 활동적인 금속입니다. 더 높은 온도에서는 많은 원소 및 화합물, 특히 공기 중의 질소, 산소, 수소 및 기타 가스와 반응하여 티타늄의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 이는 티타늄을 녹이고, 가공하고, 제조하고, 사용하는 과정에서 신중하게 고려해야 할 문제입니다.
(2) 티타늄의 선팽창계수는 탄소강의 약 2/3입니다. 스테인리스강의 절반에 해당합니다. 티타늄을 사용하여 탄소강 또는 스테인레스강 용기 라이닝을 제조하는 경우; 또는 티타늄을 사용하여 쉘 및 튜브 열 교환기 튜브를 제조하는 반면 쉘은 탄소강 또는 스테인레스 스틸로 제조하여 온도 상승 및 하강 과정에서 장비, 라이닝 및 튜브가 열 응력을 견딜 수 있는지 심각하게 고려합니다.
(3) 티타늄의 열전도율은 탄소강보다 4.5배 작고, 스테인레스강보다 약간 낮습니다. 따라서 고온에서 사용되는 티타늄 장비는 쉘 벽에 높은 온도 구배를 형성하기 쉽고 열 응력이나 열 피로 응력이 커집니다. 그러나 이러한 단점은 낮은 선형팽창계수로 인해 상쇄됩니다. 따라서 티타늄의 열전도율은 낮지만; 열 전달 효율에는 영향을 미치지 않습니다. 이는 티타늄이 오염 방지 능력이 더 뛰어나기 때문입니다. 가스가 아닌 것은 필름 응축 및 낙하 응축입니다. 더 높은 수세식 부식 유속을 견딜 수 있고, 장비 벽이나 파이프 벽을 매우 얇고 고강도 및 기타 특성을 갖도록 만들 수 있습니다. 따라서 티타늄은 열 전달 성능이 더 좋습니다.
(4) 티타늄은 융점이 높으며 일반적으로 1668 ± 4도입니다. 탄소강보다 약 130도 높고, 스테인레스강보다 약 243도 높습니다. 낮은 열전도율과 결합됩니다. 따라서 고온 영역의 용접 금속은 체류 시간이 약간 길고 조대 입자를 유발하는 데 적합하며 소성 감소 및 용접은 큰 잔류 응력을 생성하기 쉽습니다. 이는 용접 구조의 설계에 있어 신중하게 고려되어야 합니다.
(5) 티타늄은 전기 전도성이 좋지 않습니다. 구리의 전도성을 100%로 하면 티타늄은 3.1%에 불과합니다. 그러나 이는 스테인레스 강의 전도성에 가깝습니다. 이는 티타늄 전극의 설계에 고려되어야 합니다.
(6) 티타늄은 탄소강이나 스테인레스강의 절반 정도인 낮은 탄성률을 가지고 있습니다. 따라서 굽힘 방지 부품 설계에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
(7) 티타늄은 상당한 반동 특성을 가지고 있으며 반동 용량은 스테인리스강 냉간 성형의 2~3배입니다. 이는 티타늄의 항복한계와 탄성률 비율이 크고 항복강도 비율도 크기 때문에 성형 시 부품 내부에 큰 응력이 가해지기 때문이다. 따라서 티타늄 장비는 일반적으로 콜드 스탬핑 공정에 적합하지 않습니다. 열간 성형 또는 냉간 스탬핑 열간 정형외과 공정을 사용해야 합니다.
(8) 티타늄과 스테인레스 스틸로 접착이 쉽습니다. 따라서 특별한 처리 없이 티타늄용 마찰 베어링 공작물을 만드는 것은 쉽지 않습니다. 그렇지 않으면 마모나 폐색으로 인해 빠르게 폐기됩니다. 티타늄을 움직이는 요소로 사용해야 하는 경우 티타늄이 마찰 하위 조각으로 만들어진 마찰 재료(플라스틱 등)를 지탱할 수 있도록 선택해야 합니다. 또는 표면 경화 처리; 또는 마찰 하위로 만들어진 다양한 등급의 티타늄 합금을 사용하십시오. 나선형 마찰 바이스는 간격이 크거나 윤활제가 있는 나선형 맞춤에 사용해야 합니다.
(9) 티타늄의 인장강도는 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 온도가 250도에 도달하면 인장 강도는 실온의 절반에 불과합니다. 그리고 티타늄의 인장 곡선에는 물리적 항복 한계가 없고 조건부 항복 한계만 있습니다. 따라서 티타늄 장비의 강도를 계산할 때에는 설계온도에서의 강도한계를 선택해야 한다.
(10) 티타늄 크리프 저항성은 열악하며 고온뿐만 아니라 실온에서도 크리프 현상이 발생합니다. 크리프 한계는 일반적으로 온도가 증가하거나 감소함에 따라 먼저 발생합니다. 그러나 120도까지는 크리프 한계가 다시 증가하기 시작했고, 200도에서는 최대값이 되었습니다. 그 후, 크리프 한계는 온도에 따라 계속 증가하고 감소합니다. 일반적으로 200~300도의 온도 범위에서 안정적인 크리프 특성을 따릅니다. 따라서 티타늄 장비의 강도를 계산할 때 설계 온도의 강도 한계에 따라 계산해야 할 뿐만 아니라; 또한 크리프 한계에 따라 교정해야 합니다.
(11) 산업용 순수 티타늄의 가소성은 온도와 특별한 관계가 있습니다. 실온에서 200도까지 티타늄의 상대신율이 증가합니다. 계속되는 온도에서는 감소하기 시작합니다. 상대 신도는 450~500도에서 최소에 도달한 후 크게 증가합니다. 따라서 온도는 350도를 초과하지 않는 것이 가장 좋습니다.
(12) 국내 공업용 순수 티타늄의 충격강도는 낮으며, 그 중 일부는 실온에서 8.0kg-m/cm2에 불과합니다. 그러나 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 온도가 200도를 초과하면 충격 강도가 급격히 증가합니다. 550도까지 충격 강도는 약 18kg-m/cm2에 도달할 수 있습니다. 그리고 불순물 함량이 증가함에 따라 그 영향 가치는 감소합니다. 따라서 티타늄 장비를 설계할 때 과도한 국부 피크 응력을 방지하기 위해 응력 집중을 최대한 피해야 합니다.
(13) 티타늄의 경도와 강도는 냉간 변형 정도에 따라 증가합니다. 완전히 어닐링된 시편보다 시편 강도 한계의 80%의 냉간 변형 정도가 1배 더 큽니다. 냉간 변형 정도가 증가함에 따라 연신율 값은 급격히 감소합니다. 냉간 변형 정도가 50%를 초과하면 신장률은 10%로 떨어지며 그 이후에는 계속 감소하지 않습니다. 또한 티타늄의 기계적 특성은 변형률과 관련이 있습니다. 연신 속도가 0.01분에서 1.5분으로 증가하면 강도 한계가 36.5kg-force/mm2에서 42.5kg-force/mm2로 증가합니다. 연신율은 크게 감소했다가 다시 증가합니다. 따라서 티타늄을 콜드 스탬핑할 때 변형 정도와 변형 속도를 엄격하게 제어해야 합니다.
(14) 티타늄은 내피로성이 우수합니다. 그러나 노칭에는 더 민감합니다. 회전 굽힘 실험에서 인장 강도에 대한 피로 강도의 비율은 약 60%입니다. 일반 탄소강은 인장 강도의 약 45%에 불과합니다. 표면 마감도 피로 강도에 큰 영향을 미칩니다. 고도로 연마된 표면을 가진 테스트 바는 가공된 표면을 가진 테스트 바보다 피로 강도가 더 높습니다. 따라서 티타늄 장비를 설계할 때 구조적 불연속성을 피하고 용접은 최대한 매끄러워야 합니다.
15) 티타늄은 다른 금속과 융합용접할 수 없습니다. 이는 티타늄의 녹는점이 다른 금속보다 높기 때문입니다. 부서지기 쉬운 금속간 화합물을 형성하여 용접 취성을 유발합니다. 용기를 부분적으로 라이닝할 때 접합부 디자인에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 다른 금속과의 연결이 필요한 경우 접합, 브레이징, 폭발 용접 및 볼트 체결을 사용할 수 있습니다.
16) 티타늄 장비의 용접 조인트 디자인은 다른 금속에 사용되는 조인트 형태와 유사합니다. 그러나 용융된 티타늄의 유동성이 더 크기 때문입니다. 따라서 다른 금속보다 더 단단하게 조립됩니다. 얇은 판을 맞대기 용접할 때 일반적으로 등측 맞대기 접합에 무딘 가장자리 여유 공간이 남지 않습니다. 이러한 용접은 거리 조립이 만족스러울 경우 필러 와이어 없이 이루어질 수 있습니다. 판 두께가 1.5mm를 초과하는 경우 무딘 모서리 간격 또는 단일 V-베벨을 사용하여 용접 침투를 보장합니다. 이러한 조인트에는 추가 와이어가 필요합니다. 두꺼운 판이나 두꺼운 단면에는 단일 V형 또는 이중 V형 베벨을 사용합니다. 이러한 경우 접합부는 최소한의 용접 통과를 요구하고 용접 루트 보호를 용이하게 하도록 설계되어야 합니다.
17) 티타늄 주물을 설계할 때 티타늄의 액상선-고상선 온도 간격이 좁다는 점을 염두에 두어야 합니다. 빠르게 응고되는 이러한 경향은 주조품의 방향성 응고를 선호합니다. 그러나 열이 집중되면 균열과 수축이 발생하는 경우가 많습니다. 티타늄 주조의 모든 인접한 부분에서는 두께 부분의 날카로운 변화와 날카로운 모서리를 피해야 합니다. 피할 수 없는 경우 두께 변화와 날카로운 모서리 모두 충분한 반경의 둥근 전환이 있어야 합니다. 주물의 경계면은 테이퍼가 있는 균일한 단면이어야 합니다. 모든 수직 표면에서 큰 구배 경사를 고려해야 합니다. 그리고 라이저의 위치와 이러한 스프루 라이저를 제거한 후에 미세한 연삭이 필요하지 않다는 사실을 고려해야 합니다.
18) 티타늄 태핑은 더 어려운 공정입니다. 이는 탭의 제한된 칩 홈과 티타늄의 심한 접착력으로 인해 나사산이 악화되기 때문입니다. 절단이 종료되면 티타늄이 탭에 고정되어 파손되는 경향이 있습니다. 따라서 티타늄 장비 설계 시 막힌 구멍과 지나치게 긴 관통 구멍은 피해야 합니다. 동시에 맞춤 등급 공차를 적절하게 완화해야 합니다.
(19) 국내 티타늄 튜브의 연신율은 28~40% 범위에서 변동합니다. 스테인레스 강의 연신율은 50~60%입니다. 따라서 티타늄 쉘 및 튜브 열교환기의 팽창 간격은 스테인레스강의 팽창 간격보다 작아야 합니다. 그렇지 않으면 컬럼 튜브가 팽창 중에 균열이 발생하기 쉽습니다.
(20) 티타늄 절단 과정에서 소성 변형 및 높은 절단 온도로 인해 티타늄은 대기 산소, 질소를 쉽게 흡수하여 단단하고 부서지기 쉬운 피부를 형성하고 가공 경화 현상을 나타냅니다. 그 결과 부품의 피로 강도가 감소할 뿐만 아니라; 공구의 마모가 증가하고 향후 가공이 어려워집니다. 따라서 티타늄 절단에서는 일반적으로 낮은 절단 속도, 큰 절단 깊이 및 이송을 선택합니다. 그리고 적절한 냉각 윤활제를 사용하고 고압 냉각을 수행합니다. 절삭 온도를 낮추려면 가공 표면 품질과 공구 내구성을 향상시킵니다.
