1.0 티타늄이란?
1.1 개요:
튼튼하고 가벼우며 내식성이 매우 뛰어납니다.
내구성이 뛰어나고 고온 환경에 적합합니다.
1.2 순수 티타늄:
최소한의 불순물(0.1% 미만)을 함유하고 있어 강도는 낮지만 유연성이 매우 높습니다.
1.3 티타늄 합금:
다른 금속을 첨가하여 만든 것으로, 약 60~70년 전에 개발됐습니다.
2.0 스테인리스 스틸이란?
2.1 개요:
철과 크롬 및 기타 금속의 합금.
강도, 내구성, 뛰어난 내식성으로 유명합니다.
2.2 크롬의 역할:
녹을 방지하는 보호층을 형성합니다.
2.3 등급 및 종류:
구조에 따라 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트 등 다양한 등급으로 판매됩니다.
3.0 스테인리스 스틸과 티타늄의 비교 특성
| 재산 | 스테인리스 스틸 | 티탄 |
| 구성 | 철, 탄소, 크롬, 니켈, 망간 등 | 상업적으로 순수한 금속이거나 알루미늄, 바나듐 등과 합금된 금속입니다. |
| 유형 | 페라이트, 마르텐사이트, 오스테나이트, 듀플렉스, 석출 경화 | CP 1-2등급, CP 3-4등급, Ti 6Al-4V(5등급) |
| 부식 저항성 | 우수(등급에 따라 다름) | 특히 염화물 환경에서 우수함 |
| 자기적 특성 | 페라이트 등급은 자성입니다 | 비자성 |
| 비용 | 특히 티타늄 및 탄소섬유에 비해 경제적입니다. | 생산 복잡성으로 인해 높음 |
| 가공성 | 좋음(예: Type 303은 자유 가공 가능) | 일반적으로 양호하나 스테인리스강보다 가공하기 어려움 |
| 용접성 | 아크용접(TIG, MIG, MMA, SA)에 최적 | 좋습니다. 하지만 전문적인 기술이 필요할 수도 있습니다. |
| 내열성 | 높음(예: 304~1600°F, 310~1895°F) | 높음(Ti 6Al-4V는 높은 온도에서 좋은 성능을 발휘함) |
| 무게 | 무겁다(약 8 g/cm³) | 더 가볍다(약 4.5 g/cm³) |
| 힘 | 등급에 따라 다르지만 일반적으로 강함 | 특히 Ti 6Al-4V와 같은 합금에서 매우 강력합니다. |
| 밀도 | 고밀도(알루미늄보다 3배 더 높음) | 스테인리스 스틸보다 밀도가 낮음 |
| 비용 효율성 | 일반적으로 내식성에 비용 효율적입니다. | 스테인리스 스틸보다 비싸다 |
| 염화물 저항성 | 염화물 환경에서는 침식에 취약함 | 특히 바닷물에서의 뛰어난 내구성 |
| 응용 프로그램 | 식품 서비스, 의료 도구, 항공 우주, 자동차 | 항공우주, 해양, 고성능 응용 분야 |
4.0 기계 가공에 스테인리스 스틸과 티타늄을 사용하는 방법?
스테인리스 스틸과 티타늄을 가공할 때는 고유한 특성으로 인해 특정 사항을 고려해야 합니다. 각 소재를 가공하기 위한 핵심 요소를 비교한 내용은 다음과 같습니다.
| 특성 | 티탄 | 스테인리스 스틸 | 논평 |
| 가격 | ❌ | ✔️ | SS는 몇 배 더 저렴합니다 |
| 무게 | ✔️ | ❌ | Ti는 동일한 강도를 위한 무게인 40%입니다. |
| 인장/항복 강도 | ✔️ | ✔️ | 거의 동등, 학년에 따라 다름 |
| 내구성 | ❌ | ✔️ | SS는 충격 및 긁힘 방지 기능이 더 뛰어납니다. |
| 구성 | ✔️ | ✔️ | 다양한 등급 제공 |
| 부식 저항성 | ✔️ | ❌ | 확실한 승자는 티타늄으로, 내식성이 우수합니다. |
| 경도 | ❌ | ✔️ | 일반적으로 SS이지만 학년에 따라 다릅니다 |
| 내화학성 | ✔️ | ❌ | 일반 온도에서는 Ti가 우위를 점합니다. |
| 온도 저항 | ❌ | ✔️ | SS 최대 2000°F, Ti 최대 1500°F |
다음은 스테인리스 강판과 티타늄을 자세히 비교한 내용으로, 구성, 기계적 특성, 비용 및 용도와 같은 주요 측면을 강조하고 있습니다.
| 재료 | 스테인리스 스틸 플레이트 | 티탄 |
| 구성 | 주로 철, 크롬(10.5%+), 니켈, 몰리브덴 및 탄소(등급에 따라 다름)(예: 304, 316) | 알루미늄, 바나듐 등과 합금된 금속 원소 (예: Ti-6Al-4V, 2등급) |
| 부식 저항성 | 316과 같은 등급으로 강화된 혹독한 환경에서의 뛰어난 내구성 | 특히 해수 및 산성 용액과 같은 혹독한 환경에서 뛰어난 내구성 |
| 강도 및 내구성 | 높은 인장 강도, 구조적 응용 분야에서 내구성이 있지만 등급에 따라 다름 | 뛰어난 강도 대 중량 비율, 중량 대비 더 높은 강도, 고성능 애플리케이션에 적합 |
| 무게 | 티타늄에 비해 상대적으로 무겁다 | 훨씬 가벼워서 항공우주 분야와 같이 무게에 민감한 분야에 적합합니다. |
| 비용 | 등급에 따라 kg당 ₹250-₹500 | kg당 ₹3,000-₹6,000, 높은 추출 및 처리 비용을 반영 |
| 인장 강도 | 520MPa(304) ~ 1300MPa(316) | 880 MPa ~ 1200 MPa(예: Ti-6Al-4V) |
| 경도 | 중간, 합금 및 열처리에 따라 다름 | 스테인리스강보다 경도가 높아 내마모성이 우수함 |
| 연성 | 양호, 성형 및 용접에 적합 | 연성은 떨어지지만 우수한 연성을 유지하며 일부 합금은 취성이 있을 수 있습니다. |
| 응용 프로그램 | 건설, 산업 장비, 소비재, 식품 및 음료 산업 | 항공우주, 해양, 의료용 임플란트, 고성능 자동차 |
| 장점 | 비용 효율적이고 다재다능하며 대부분 용도에 대한 내식성이 우수하고 용접이 쉽습니다. | 가볍고 강도 대 중량 비율이 높으며 내식성이 뛰어나 혹독한 환경에 적합합니다. |
| 단점 | 티타늄보다 무거워서 극한의 부식이나 조건에서는 성능이 좋지 않을 수 있습니다. | 비용이 많이 들고 기계 가공 및 용접이 어렵고 일부 형태 및 조건에서는 취성이 있을 수 있습니다. |
5.0 강도 비교: 티타늄 대 스테인리스 스틸
5.1 인장 강도
- 티타늄 합금: 345~1380 MPa(50,000~200,000 psi), 합금 및 처리에 따라 다름.
- 스테인리스강: 결정 구조와 가공 방식에 따라 다양하며 강도 범위가 넓습니다.
5.2 재료 특성
- 결정 구조: 티타늄은 육각형 밀집(HCP) 구조를 가지고 있어 슬립 평면을 제한하고 강도를 증가시키는 동시에 연성을 감소시킵니다. 스테인리스 스틸은 강도와 연성에 영향을 미치는 다양한 구조(FCC, BCC, BCT)를 보입니다.
- 입자 크기 제어: 두 재료 모두 열처리와 냉각 제어를 통해 특성을 향상시킵니다.
- 합금: 티타늄은 원래 형태나 합금 형태로 사용할 수 있는 반면, 스테인리스 스틸은 크롬, 니켈, 몰리브덴과 같은 원소와 본질적으로 합금됩니다.
5.3 열 성능
- 티타늄은 고온(최대 550°C)에서도 강도를 유지하며, 알루미늄 합금을 첨가하면 더욱 강화됩니다.
- 스테인리스 스틸과 티타늄 합금은 열처리를 통해 특성을 개선할 수 있습니다.
5.4 고온 초합금
특수 합금의 단결정 구조는 뛰어난 내열성을 제공하며, 극한 환경에서 자주 사용됩니다.
다음 표는 밀도, 인장 항복 강도, 강성, 파괴 변형률, 경도와 같은 주요 특성을 중심으로 강철과 티타늄의 강도 특성을 비교합니다.
| 재산 | 강철 | 티탄 |
| 밀도 | 7.8–8g/cm³ | 4.51g/cm³ |
| 인장 항복 강도 | 350메가파스칼 | 140메가파스칼 |
| 단단함 | 200 기가파스칼 | 116 기가파스칼 |
| 파단 변형률 | 15% | 54% |
| 경도(브리넬경도) | 121 | 70 |
6.0 합금 원소와 중량에 미치는 영향
- 티타늄 합금에는 다양한 합금제가 포함됩니다.
- 티타늄 합금에 사용된 알루미늄은 강도를 지나치게 잃지 않으면서도 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.
- 바나듐은 합금의 기계적 성질을 향상시킵니다.
- 철은 종종 용접성을 향상시키기 위해 첨가됩니다.
- 일부 스테인리스 강철 합금에는 내식성을 높이기 위해 티타늄이 포함됩니다.
6.1 열전도도 및 내식성
스테인리스 스틸과 티타늄은 모두 열전도도가 낮습니다. 티타늄의 전도도는 온도가 상승함에 따라 감소하는 반면, 스테인리스 스틸은 낮은 전도도를 보이며 온도가 높아지면 약간 증가합니다.
6.2 티타늄 대 스테인리스 스틸: 산화물 층과 그 효과
- 티탄: 자가치유형의 이산화티타늄(TiO₂) 층을 형성하여 뛰어난 내화학성과 생체적합성을 제공합니다.
- 스테인리스 스틸: 산소가 풍부한 환경에서 내식성과 자체 복구 특성을 제공하는 크롬 산화물(Cr₂O₃) 필름을 개발합니다.
6.3 티타늄의 사용 및 응용 분야
티타늄과 그 합금 계열은 비용이 성능보다 중요한 고가 산업과 특수 소비자 제품에 널리 사용됩니다. 티타늄의 무독성, 경량, 생체적합성은 내구성과 신뢰성이 가장 중요한 응용 분야로 다재다능함을 확장합니다.
- 항공우주: 티타늄은 고강도, 경량, 부식 및 고온에 대한 저항성이 뛰어나 제트 엔진, 기체, 우주선 및 위성에 이상적입니다.
- 의료: 생체적합성이 뛰어나 임플란트(관절, 치과), 보철물, 수술 도구에 사용할 수 있으며, 장기간 조직 접촉 시 내구성과 안전성을 제공합니다.
- 화학 처리: 혹독한 화학 환경에서도 뛰어난 내식성을 발휘하므로 열교환기, 밸브, 반응기에 적합합니다.
- 군대: 강도, 내구성, 내식성이 뛰어나 장갑차량, 해군 장비, 항공기에 사용됩니다.
- 스포츠 장비: 높은 강도 대 무게 비율은 자전거, 골프 클럽, 라켓에 적합하며 성능과 고급스러운 매력을 모두 제공합니다.
- 자동차: 배기 시스템, 서스펜션 부품 등 가볍고 부식에 강한 부품은 고성능 차량의 성능을 향상시킵니다.
- 석유 및 가스: 해양 환경과 부식성 유체에서의 회복성이 뛰어나 해상 플랫폼 및 장비에 적합합니다.
- 담수화: 티타늄은 염화물에 대한 저항성이 뛰어나 염수 처리 분야에서 필수적인 소재입니다.
- 식품 가공: 무독성이므로 오염에 민감한 장비에서도 안전하게 사용할 수 있습니다.
참고문헌: https://jiga.io/articles/titanium-vs-stainless-steel/
