스테인리스 스틸에서 티타늄으로 부품을 업그레이드하기로 결정하는 순간, 잠재적으로 더 많은 비용이 드는 두 번째 딜레마에 직면하게 됩니다: 실제로 어떤 등급이 필요한가요?
업계에서는 40개에 가까운 다양한 등급을 제공하지만, 선택은 거의 항상 시장을 대표하는 두 가지로 귀결됩니다: 2등급(상업적으로 순수한) 그리고 5등급(Ti-6Al-4V).
언뜻 보기에 선택은 이분법적으로 보입니다. 강도를 원한다면 5등급을 선택하고, 내식성을 원한다면 2등급을 선택하면 됩니다. 하지만 베테랑 엔지니어라면 재료 과학에서 이분법적인 선택이 그렇게 간단하지 않다는 것을 알고 있습니다. 여기서 잘못된 선택을 한다는 것은 단순히 부품의 불량을 의미하는 것이 아니라, 필요한 모양이 실제로 존재하지 않는 재료를 지정하는 조달의 악몽을 겪거나 단순한 냉간 성형 벤딩이 금이 간 스크랩 더미로 변하는 제조상의 재앙을 의미할 수 있습니다.
이 가이드는 데이터시트의 정적인 숫자를 뛰어넘습니다. 엔지니어링 트레이드오프, “숨겨진” 제조 비용, 두 재료의 진정한 차이를 정의하는 공급망 현실을 자세히 분석할 것입니다.
야금학 DNA: 알파 대 알파-베타
가공 시 한 등급은 연성 금속처럼 작동하고 다른 등급은 완고한 세라믹처럼 작동하는 이유를 제대로 이해하려면 결정적인 “DNA”를 살펴봐야 합니다.”
2등급 는 우리가 “일꾼”이라고 부르는 제품입니다. 상업적으로 순수한 티타늄으로, 티타늄은 알파 (α) 미세 구조. 합금 원소가 부족하기 때문에(>99% 순수 Ti) 내부 구조가 슬립 평면이 상대적으로 쉽게 움직일 수 있습니다. 이는 연성을 제공합니다. 티타늄계의 “316 스테인리스 스틸'이라고 생각하면 됩니다. 잘 부러지지 않고 성형이 가능하며 화학적으로 일관성이 있습니다.
5학년, 반면에 알파-베타 합금. 다음을 소개합니다. 6% 알루미늄 (알파 안정제) 및 4% 바나듐 (베타 안정제)를 사용하여 금속을 이중 상 구조로 강제 전환합니다. 이는 단순한 화학적 조정이 아니라 금속의 물리학을 근본적으로 변화시킵니다. 이러한 이중성 덕분에 5등급은 열처리를 통해 놀라운 강도를 얻을 수 있지만, 2등급을 작업하기 쉽게 만드는 연성은 희생됩니다.
기계적 속성: “강도” 함정
인장 강도 수치에 현혹되기 쉽습니다. 그리고 네, 그 차이는 엄청납니다.
표준에 따라 ASTM B265 사양, 5등급은 약 2배에서 3배 더 강력합니다. 2등급보다 높습니다.
| 속성 | 2등급(CP Ti) | 5등급(Ti-6Al-4V) | 엔지니어링에 미치는 영향 |
|---|---|---|---|
| 항복 강도(0.2% 오프셋) | ~275 - 450 MPa | ~880 - 920 MPa | 5등급은 훨씬 더 높은 하중에서도 영구적인 변형에 견딜 수 있습니다. |
| 인장 강도(UTS) | ~345 - 500 MPa | ~950 - 1050 MPa | 5등급은 훨씬 더 얇은 단면을 허용합니다. |
| 연신율(휴식 시) | > 20% | < 10-14% | 중요: 2등급은 스트레칭, 5등급은 스냅. |
| 경도 | ~160 - 200 HV | ~300 - 350 HV | 5등급은 더 나은 내마모성을 제공합니다. |
| 밀도 | 4.51g/cm³ | 4.43g/cm³ | 원시 무게는 미미한 차이가 있습니다. |
“특정 강도” 요소
밀도가 거의 동일하기 때문에(5등급은 엄밀히 말하면 머리카락이 더 가볍습니다), 5등급은 무게 대비 강도 비율 의 5등급은 경이롭습니다. 2등급에 비해 절반의 재료 부피로 동일한 하중을 운반할 수 있기 때문에 항공우주 산업에서 사랑받는 이유입니다.
하지만 여기에 문제가 있습니다: 디자인이 다음에 의해 제한되는 경우 강성(처짐) 순수한 강도가 아닌 5등급은 거의 이점이 없습니다. 두 등급의 탄성 계수(강성)는 대략 105-114 GPa입니다. 2등급 빔이 하중을 받아 너무 많이 휘어지는 경우 5등급으로 전환한다고 해서 휘어짐이 멈추는 것이 아니라 영구적으로 변형되는 것을 막을 뿐입니다. 강성을 수정하려면 단순히 “더 나은” 등급이 아니라 지오메트리(관성 모멘트)가 필요합니다.
제조 현실: 프로젝트가 죽어가는 곳
작업 현장에 대해 이야기해야 합니다. 여기서 5학년의 이론적 이점이 물리학의 잔인한 현실과 충돌하는 경우가 많습니다.
“형성성 격차”
이는 젊은 엔지니어들이 가장 흔히 빠지는 함정입니다.
2등급 휴식시 연신율이 대략 20%. 논리적으로 작동합니다. 강철처럼 냉간 구부리기, 딥 드로잉, 하이드로포밍이 가능합니다.
5학년 는 완전히 다른 짐승입니다. 연신율이 10% 이하. 5등급 시트를 좁은 반경으로 냉간 구부리려고 하면 끊어질 수 있습니다. 5등급을 만들려면 일반적으로 다음이 필요합니다. 핫 포밍 공정(재료를 ~600°C 이상으로 가열)은 산화물 스케일링이 발생하고 고가의 가열 툴링이 필요하며 사이클 시간이 크게 늘어납니다.
전문가 팁: 부품에 복잡한 벤딩(예: 스탬프 하우징)이 필요한데 5등급을 지정하면 열간 성형 요구 사항으로 인해 제조업체의 견적이 세 배로 늘어날 수 있습니다.
기계 가공성 지수
기계공에게 물어보면 티타늄 절단은 예술의 경지에 이르렀다고 말할 것입니다.
- 2등급은 “거미'입니다: 부서지는 것을 싫어합니다. 칩은 절삭 공구에 번지고 달라붙기를 원합니다(빌트업 에지). 칩의 열을 유지하려면 날카로운 공구, 높은 절삭유 유량, 공격적인 이송 속도가 필요합니다.
- 5등급은 “매우 어려움'입니다: 엄청난 열이 발생하는데, 이 열은 칩과 함께 떠나지 않고 공구에 스며듭니다. 분당 표면적(SFM)을 훨씬 낮게 실행해야 합니다. 5등급 부품이 걸릴 것으로 예상 30-50% 더 오래 가공 동급 2등급 부품보다 높습니다.
내식성: “바나듐 취약성”
“등급이 높을수록 내식성이 우수하다”는 통념이 널리 퍼져 있습니다.” 이는 위험할 정도로 잘못된 정보입니다.
바닷물, 염화물 용액 또는 산화성 대기와 같은 중성 환경에서는 두 등급 모두 슈퍼스타입니다. 이들은 즉시 수동 이산화티타늄(TiO2) 층을 형성하여 녹에 거의 영향을 받지 않습니다. 이러한 조건에서는 그 차이가 미미합니다.
증거: 산성 성능 감소
그러나 약산성 환원성 (묽은 황산 또는 염산 등)에 노출될 경우 5등급은 약점을 노출합니다.
- 메커니즘: 의 기술 보고서에 따르면 일본 철강 그리고 AZoM, 를 추가하여 6% 알루미늄 5등급의 다상 구조는 미디어 감소에 해로운 요인으로 작용할 수 있습니다. 다상 구조는 2등급의 균일한 단상 구조에 비해 부식을 가속화할 수 있는 미세 갈바닉 커플링을 생성합니다.
- 데이터: 끓는 온도에서 10% 황산(H2SO4)에서 비합금 티타늄(2등급)은 질량 손실률이 높은 5등급보다 부식에 훨씬 더 잘 견딥니다.
엔지니어링 테이크아웃: 고온의 환원성 산을 사용하는 경우 2등급의 고순도가 우수한 수명을 제공합니다. 2등급으로도 충분하지 않은 경우 5등급으로 업그레이드하지 않고 옆으로 이동합니다. 7학년 (2등급 + 0.15% 팔라듐)을 함유하여 내산성을 획기적으로 개선했습니다.
공급망 제약
마지막으로, 방 안의 코끼리를 다루어야 합니다: 가용성.
완벽한 5등급 브래킷을 디자인할 수 있지만 원자재를 구매할 수 있을까요?
- 2등급 의 왕은 시트, 플레이트 및 파이프. 거대한 산업용 선박과 열교환기에 사용되기 때문에 어디에나 구비되어 있습니다.
- 5학년 의 왕은 원형 바 및 블록.
벽이 얇은 인클로저(예: 두께 1mm)를 설계하고 5등급을 지정하는 경우, 그 정도로 얇은 5등급 판재를 보유하고 있는 업체가 없을 수 있습니다. 두꺼운 판재를 구입하여 90%를 칩으로 가공해야 할 것입니다. 이렇게 하면 “바이투플라이” 비율 비용이 폭발적으로 증가합니다.
비용 분석: 원자재 대 총 비용
시장 가격은 변동이 있지만 일반적으로 5등급 원료는 킬로그램당 30% ~ 50% 더 비쌉니다. 2등급보다 높습니다.
그러나 총 소유 비용(TCO) 차이가 더 넓습니다:
- 재료비: 5등급이 더 높습니다.
- 가공 비용: 5등급은 더 높습니다(속도가 느리고 공구 마모가 빠름).
- 스크랩 복구: 5등급 칩(스와프)은 엄격하게 분리 보관해야 합니다. 혼합된 티타늄 스크랩은 가치가 매우 낮습니다.
예외: 5등급의 높은 강도로 벽 두께를 50%까지 줄일 수 있다면, 재료 부피 감소는 might kg당 더 높은 가격을 상쇄합니다. 이를 위해서는 신중한 계산이 필요합니다.
요약: 전화 걸기
그렇다면 어느 것이 자재 명세서에 포함되어야 할까요? 이 매트릭스를 참고하여 결정하세요.
| 기능 / 요구 사항 | 선택 2등급(CP) | 선택 5등급(Ti-6Al-4V) |
|---|---|---|
| 기본 스트레스 모드 | 낮음에서 보통 | 높은 인장/전단 하중 |
| 성형 프로세스 | 콜드 벤딩, 딥 드로잉 | 가공, 단조, 열간 성형 |
| 부식 환경 | 화학 처리, 산성 매체 | 일반 해양, 대기 |
| 온도 제한 | 최대 ~250°C | 최대 ~400°C |
| 디자인 드라이버 | 내식성 및 비용 | 무게 대비 강도 비율 |
| 일반적인 애플리케이션 | 배기 파이프, 용기, 클래딩 | 패스너, 터빈 블레이드, 임플란트* |
*참고: 의료용 임플란트의 경우, 5등급 ELI(엑스트라 로우 인터스티셜)라는 특정 하위 등급이 필요한 경우가 많습니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
Q: 티타늄 2등급에서 5등급까지 용접할 수 있나요?
A: 예, TIG(GTAW) 용접을 사용할 수 있습니다. 일반적으로 용접의 연성을 보장하기 위해 강도가 낮은 재료(ERTi-2)와 일치하는 필러 와이어를 사용하지만 강도가 가장 중요한 경우 ERTi-5를 사용할 수도 있습니다. 용접 영역은 이 둘의 중간 정도의 특성을 갖게 됩니다.
Q: 5등급 티타늄은 자성이 있나요?
A: 아니요. 2등급과 5등급 모두 비자성입니다. 따라서 자기 간섭이 우려되는 의료 장비(MRI 호환) 및 전자 제품에 이상적입니다.
Q: 티타늄 2등급은 녹이 슬나요?
A: 티타늄은 철처럼 “녹슬지” 않습니다. 보호 산화물 층을 형성합니다. 바닷물에서도 2등급은 수십 년 동안 노출되어도 새 것처럼 보입니다.
질문: 5등급을 “항공우주 등급'이라고 부르는 이유는 무엇인가요?
A: 티타늄은 전 세계 티타늄 사용량의 약 50%를 차지하며, 특히 높은 비강도로 비행기의 경량화와 연료 효율을 높여주는 기체와 엔진 부품에 사용됩니다.