티타늄 쉽게 이해하기
[ 티타늄의 발견 ]
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 몇가지 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.
티타늄의 역사
티타늄이 지금과 같이 우리곁에 가까이 오기까지의 중요한 과학적 역사를 간단히 요약하면 다음과 같다
1790년 |
William Gregor(영국) (Manaccan읍 목사) |
1795년 |
Martin Klaproth(독일) "Titan"(지구의 아들) (Rutile(TiO2)로부터 Ti 금속 발견) |
1797년 |
Martin Klaproth(독일) "Menaccin"="Titan" (독) Titan, (영) Titanium |
1823년 |
Wilerstone(영국) "Ti 금속 추출 성공" 발표 |
1856년 |
Muller(독일) Ti(C,N) 화합물임을 검증 |
1875년 |
Kilirov(러시아) 금속형태의 Ti추출 성공 |
1887년 |
L.F Nielson &O.Peterson(스웨덴) TiCl + Na → "Ti(95%)" + NaCl |
1895년 |
Hani Moasan(프랑스) 고순도 Ti 추출시도 |
1910년 |
Hunter(미국) "Ti(99.8%)" 추출, Na를 이용한 Hunter Process |
1925년 |
A.E.Van Arkel &J.H.De Boer(화란) "TiCl → TiI → Ti(100%)" |
1938년 |
R.S.Dean(미국) Kroll 법의 공업화 연구에 착수 |
1939년 |
W.J.Kroll(미국) Ti의 공업적 제조법 확립 (Kroll 광산국법) |
1940년 |
Kroll(미국) 공업용 Ti 대량 생산(Kroll Process)을 위한 특허출원 |
1946년 |
미 광산국 Ti의 제조를 위한 시험공장 건설 |
1948년 |
미 듀퐁(사) Sponge Ti 생산공장 건설, 년 10톤 생산 |
1949년 |
Kobe Steel(일) 제련연구 착수 (Kyoto 大 Nishimura 교수 연구실) |
1950년 |
TMCA(미) 공업적 Ti 생산 |
1951년 |
Osaka Ti(일) 공업적 생산연구 개시 |
[ 티타늄의 특성 ]
티타늄은 가벼우면서도 강하고, 내식성이 강한 특성을 가지고 있다. 비중은 4.5로 동이나 니켈의 약 2분의 1, 철의 약 6할정도로 가볍다. 순수 티타늄의 비강도는 스텐레스철이나 보통철을 능가하고, 알루미늄의 약 3배나 된다.
티타늄 합금은 특수강과 동등한 강도를 가지며, 500C전후의 고온에서도 그 성질이 거의 변화하지 않는다.
또한 내식성은 스텐레스철에 비교해서도 몹시 뛰어나고 특히 해수에 대한 내식성은 백금에 필적한다.
덧붙여 무독성, 생체적합성에서도 다른 소재의 추격을 허락하지 않는다.
이와같은 특성을 가진 티타늄재는 변질,부식이 없고 거의 100% 재생이 가능하며, 라이프싸이클 비용을 최소화하는 것과 함께 지구환경을 오염 시키지 않는 "지구와 친한 금속"이라 말할 수 있다.
Typical Properties
Present in meteorites and in the sun, titanium is the ninth most abundant element in the earth's crust. It's presence is found in almost all igneous rocks, in the ash of coal, in plants and in the human body. Pure titanium is a silvery white, lustrous metal with low density and good strength. In powder form, it is dark gray. Titanium is malleable when warmed and easily fabricated. Titanium is as strong as steel with only 45% of its weight, so when other metals, it greatly improves strength and ability to withstand extremes of temperature.
Crystal Structure
- phase : Closed-packed hexagonal ; a=0.295030㎚, c=0.468312㎚, c/a=1.5873
- βphase : Body-centered cubic, a=0.332㎚ at 900℃.
Mass Characteristics
- Atomic Weight : 47.9
- Density : phase : 4.507g/㎤ at 20℃
βphase : 4.35g/㎤ at 885℃
Thermal Properties
- Melting Point : 1668±10℃
- Boiling Point : 3260℃(estimated)
- Vapor Pressure (From 1587 to 1698K) : log P=7.7960 - (24.644 / T) - 0.000227T
(where P is Pa and T is in K)
- Phase Transformation Temperature : to β, 882.5℃
- Coefficient of Thermal Expansion : At 20℃ : 8.41×10/℃.
At 1000℃ : (10.1×10/℃(estimated)
- Specific Heat :
Below 13K : Cp = 0.0706+5.43×10T
Above Room Temperature : Cp = 669.0-0.037188T-1.080×10T
(where Cp is in J/kg·K and T is in K)
|
|
- Latent Heat of Fusion : 440 kJ/kg(estimated)
- Latent Heat of Transformation : 91.8 kJ/kg(estimated)
- Latent Heat of Vaporization : 9.83 MJ/kg(estimated)
- Thermal Conductivity : 11.4W/k·K at -240℃
Electrical Properties
- Electrical Resistivity : 420 n·m at 20℃
- Superconductivity (Critical Temperature) : 0.37 to 0.56K
Magnetic Properties
Magnetic Susceptibility (Volume, at Room Temperature) : 180(±1.7) × 10mks
Optical Properties
Total Hemispherical Emittance : 0.30 at 710℃
Nuclear Properties
Stable Isotopes |
Isotopes |
Natural Abundance, % |
Cross Section, Bars |
|
|
7.95 |
0.6 |
|
|
7.75 |
1.6 |
|
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73.43 |
8.0 |
|
|
5.51 |
1.8 |
|
|
5.34 |
0.2 |
Mechanial Properties
- Tensile Properties (Typical, at Room Temperature) :
Tensile Strength : 235MPa
0.2% Yield Strength : 140MPa
Elongation in 50mm : 54%
- Minimum Bend Radius : <1t
- Hardness :
Ingot Melted From Electrolytic Titanium : 70 to 74 HB
Ingot Melted From Iodide Titanium : 65o 72 HB
- Velocity of Sound : 4970m/s
[ 티타늄의 제련 ]
티타늄은 티타늄광석을 염소가스와 반응시켜 사염화티타늄을 만들어 정제한 후, 그것을 금속마그네슘 또는 금속나트륨으로 환원해서 제조한다.
이 금속티타늄은 스폰지 상태를 하고 있기 때문에 일반적으로 스폰지티타늄이라고 불리고 있다.
환원제로써 금속마그네슘을 사용하는 방법을 마그네슘 환원법(크롤법), 금속나트륨을 사용하는 방법을 나트륨 환원법(헌터법)이라고 한다. 스폰지티타늄의 절반은 진공용해되어 덩어리가 된다. 티타늄 덩어리는 스폰지티타늄을 원료로 하지만 티타늄 파지스크랩을 더하는 경우도 있다.
티타늄 합금의 경우는 필요원소를 첨가해 진공용해로에서 용해제조된다. 덩어리에서 판이나 봉 등의 제품을 제조하는데에는 보통철이나 특수강 또는 비철금속과 똑같은 설비가 이용된다.
[ 티타늄의 존재 ]
우주
Star, Intersteller Dust, Meteorites
지각
지구 지각의 0.6% 가 Ti 9번째로 풍부 (O,Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg)
Cu의 20배, Ni의 30배, Cu의 60배, W의 100배, Mo의 600배
매장량
북아메리카 4억 Ton, 남아메리카 2억 Ton
아프리카 5억 Ton, 아시아 2억 Ton
오세아니아 1억 Ton, 기타 16억 Ton
광석
Ilmenite(티탄철광) TiFeO3
Titano magnatite(티탄자철광) FeTi3O4
Rutile(금홍석) TiO2
Brookite(판티탄석) TiO2
Anatase(예추석) TiO2
Titanohematite(티탄적철광) (FeTi)2O4
전처리
Ti 이외의 물질 분리 50% → 95% TiO2
TiO2 → TiCl4 → Ti
Energy : Steel의 1.6배
소비량 : Cu의 3.7배, FeCr의 3.2배, Al의 1.7배, Mg의 1.0배
Heat of rutile - 228Kcal/male
Formation Hematite - 200Kcal/male
Magnetie - 268Kcal/male
티타늄은 경금속, 고강도 및 뛰어난 내식성을 지니고 있다. 티타늄은 견고하고 강도가 높기 때문에 항공산업, 자동차산업등에 구조물로써 이용되며, 내식성이 뛰어나기 때문에 화학산업 등에서 반응기, 열교환기, 배관작업 등에 이용되기도 한다.
제조공정과 유래 : 1789년 영국의 W.그레거가 콘월 지방에서 산출된 사철(砂鐵)에서 새로운 산화물을 추출하였다. 그후 1995년 독일의 M.H 클라프로트는 헝가리산 금홍석(金紅石)에서 새로운 금속원소를 발견하고 그리스 신화에 나오는 신(Titanes)의 이름을 따서 티타늄이라고 하였다. 순금속은 1910년 M.A헌터에 의해 처음으로 단리(單離)되었다.
예전에는 회유원소로 생각했던 일도 있으나, 지각(地殼)속에서의 존재도가 높아 클라크수 0.46으로 제9위이며, 마그네슘에 이어서 크다. 매우 널리 분포하며, 토양속에는 보통 약 0.6%의 산화티타늄이 존재한다. 또, 지각의 화성암속에도 소량 함유되어 있다. 주요 광석은 루틸(금홍석)ㆍ티타늄철석ㆍ판티타튬석ㆍ예추석(銳錘石)ㆍ회티타늄석 등이다. 또 사철속에는 티타늄철석이 함유되어 있다.
성질 : 은백색 금속으로, 순수한 것은 전성(展性)ㆍ연성(延性)이 있고,가열에 의해서 단련할 수 있으며, 내식성(耐飾性)이 있기 때문에 공업상 중요한 금속이다. 결정은α형과 β형의 2종이 있는데, α형은 상온에서 안정하다. α형은 육방정계(六方晶系)에 속하며, 882℃이상에서는 등축정계(等軸晶系)인 β형이 된다. 강도는 탄소강과 거의 같고, 자중(自重)에 대한 강도비는 철의 약 2배, 알루미늄의 약 6배이다. 또, 열전도율 ㆍ열팽창률이 작고, 400℃이하에서는 강도의 변화가 작다.
공기중에서는 안정하나, 산소속에서 가열하면 산화티타늄이 된다. 할로겐과 가열하면 반응하고, 산에는 철보다 잘 녹지 않는다. 바닷물속에서는 백금에 이어서 내식성(耐飾性)이 강하다. 많은 금속과 합금을 만든다.
제조법 : 공업적으로는 크롤법으로 제조한다. 원료는 보통 산화티타늄 TiO₂이 94%정도 함유되어 있는 루틸, 또는 60% 정도 함유되어 있는 티타늄철석 등이다. 이것들을 일단 제련하여 티타늄슬래그 분말로 하고, 목탄 또는 코크스를 가하여 소결(燒結)한 후 염소화로(鹽素化爐)속에서 900℃ 정도로 사염화티타늄을 만든다.
TiO₂+ 2C + 2CI₂ -> TiCl₄+ 2CO 생성된 사염화티타늄에는 철 ㆍ규소ㆍ바다듐 등의 염화물이 불순물로 함유되어 있으므로, 이것들을 증류에 의해서 정제한다. 정제된 사염화티타늄은 1기압의 알곤가스 속에서 융해한 마그네슘에 적하(滴下)함으로써 금속티타늄으로 분리시킨다.
TiCl₄+ 2Mg -> Ti + 2MgCl₂다시 반응물을 가열하여 불순물을 증발시켜 티타늄스펀지로 만드는데, 보통 한 공정에서 1t 정도의 티타늄을 만든다. 순도는 99.6~99.85%이다. 이것을 다시 정제하는 데는 요오드법이 사용된다. 조(粗)티타늄금속을 요오드와 250~1,500℃에서 반응시켜 요오드화티타늄을 만들고, 그 증기를 1,100~1,500℃에서 열분해시켜 고순도의 티타늄과 요오드로 분리한다.
열분해는 보통 전류를 통한 텅스텐선상에서 시행한다. 이 방법으로 얻은 티타늄은 순도가 높아 99.96%이므로, 요오드법 티타늄이라 하여 구별한다. 이 밖에 융해염 전해법등을 사용하는 일도 있다.
용도 : 강도ㆍ내식성이 크고 가벼우므로 항공기ㆍ선박을 비롯하여 많은 구조용(構造用) 재료로 사용되고, 화학공업에서 내식성 용기 재료로도 사용된다.
사용분야
우주항공 : 기계구조체, 엔진부품
해양관련 : 해수담수화장치, LNG해수쿨러용튜브
선 박 : 선회기부품, 샤프트
화학공업 : 전해용전극, 각종 제조장치
발전소 : 화력, 원자력발전의 복수기기, 관, 판
자동차 : 콘로드, 밸브, 스프링, 볼트
정밀기계 : 시계, 카메라, 안경, 컴퓨터
의료치과 : 인공뼈, 수술용구, 핀세트
원자력 폐기물 처리 : 수송용기
악세사리 : 안경프레임, 넥타이핀, 목걸이 등
스포츠용품 : 골프채, 테니스라켓, 자전거
개요 : 물리적성질 기계적 성질 내식성
경금속으로서 철의 약 60%에 해당
융해점이 매우 높다.
열팽창계수가 철의 약 70%정도로 낮다.
열전도율이 낮다.
전기저항이 매우 크다.
영율(Young's modulus)이 철의 1/2이다.
티타늄은 다른 금속들이 지니지 못한 여러 가지 기계적 특성들을 지니고 있다.
① 상대강도가 높다 .
티타늄의 비중은 강철이나 스테인레스철의 약 60%밖에 되지않기때문에, 구조물로 이용될 때 요구되는 무게가 여타 금속을 이용했을 경우의 절반밖에 되지 않는다.
또한, 순수티타늄의 강도는 스텐레스철의 강도와 비슷하며, 티타늄합금의 경우는 특수강의 강도보다 더 높다. 따라서 티타늄은 상대강도(인장강도/밀도)가 높으며, 티타늄합금의 경우 500℃ 전후의 고온에서도 그 성질이 거의 변화되지 않는다.
② '항복강도/인장강도'의 비율이 높다.
티타늄은 인장강도에 대한 내응력이 매우 높으며, 특히 티타늄합금은 90%이상의 높은 값을 가지고 있다.
③ 내응력이 매우 뛰어나다.
인장강도에 대한 내응력이 매우 높으며, 응율(내응력/인장강도)가 0.5~0.6이다.(철의 내응력은 0.2~0.3)
④ 충격에 대한 반응이 뛰어나다.
순수티타늄은 상온에서보다 저온에서의 강도가 더욱 뛰어나다. 또한 여타금속은 저온에서 갑자기 깨지는 현상이 나타나지만, 티타늄합금의 경우에는 그러한 현상이 나타나지 않는다.
티타늄은 여러 부식물에 아주 강한 내식성을 지니고 있다.
■ 일반적 내식성
① 유기산
티타늄은 질산, 크롬산 및 왕수 등의 산화산에 대해서는 고온, 고농도의 조건하에서도 아주 강한 내식성을 나타낸다. 고온에서는 염산이나 황산등의 비산화산에 대해서는 부식이 발생하지만, 이 경우에도 약간의 산화제와 함께 사용될 경우 이러한 비산화산에 대한 내식성도 매우 향상된다. 하지만, 불소의 경우에는 통상의 실내온도에서도 부식에 매우 약하기 때문에각별한 주의가 필요하다.
② 알칼리
티타늄은 비등상태의 알칼리용약 등에도 뛰어난 내식성을 나타내며, 스테인레스에서 발생되는 Pitting corrosion 등이 전혀 나타나지 않는다. 하지만, 가성소다의 경우, 고농도ㆍ비등상태에서는 약간의 부식이 발생될 수도 있다.
③ 염화화합물
고농도ㆍ고온상태의 염화화합물에 대해서는 티타늄만큼 내식성을 나타내는 금속은 없다. 단지 예외적으로 알루미늄 염화물이나 아연염화물에 대해서는 때때로 부식이 발생되기도 한다.
④ 여러가지 가스
티타늄은 유화수소가스나 습식염화가스에 대해서 뛰어난 내식성을 나타낸다. 하지만, 건식염화가스에 노출되었을 때는 습기를 보충해주어야만 한다.
⑤ 해수
티타늄은 해수에 대해서는 완전한 내식성을 나타낸다.
⑥ 유기화합물
티타늄은 초산과 주석산과 같은 대부분의 유기산에 대해서는 매우 뛰어난 내식성을 나타낸다. 포름산과 수산의 경우에는 고온에서 약간의 부식이 발생할 수도 있다. 지르코늄의 경우에도 티타늄과 마찬가지로 각종 유기화합물에 대해 뛰어난 내식성을 가지고 있으며, 황산에 대해서는 티타늄보다 우수한 내식성을 지니고 있다.
내식성이 더욱 향상된 15PAT, 20PAT 등과 같은 티타늄 합금이 이다. 이러한 티타늄 합금은 순수티타늄의 경우에는 부식이 발생될 수 이쓴ㄴ 유황산이나 염산(hydeochioride acid) 등의 각종 비산화산에 대해 매우 뛰어난 내식성을 지니고 있다. 20PAT에 함유되어 있는 파라듐 성분은 0.20%를 넘고 있으며, 따라서 15PAT보다 뛰어난 내식성을 요구하는 제품에 사용되고 있다.