티타늄에 대한 모든 것: 속성 및 응용 분야

티타늄은 매우 특별합니다. 강철의 일부 유형만큼 강하지만 훨씬 가볍습니다. 또한 녹슬지 않습니다. 티타늄과 그 합금이 왜 그렇게 유용한지 살펴보겠습니다. 그것들은 비행기에서부터 몸 안에 들어가는 의료 부품에 이르기까지 모든 것에 사용됩니다. 저와 함께하시면 이 놀라운 금속에 대해 알아야 하는 이유를 보여드리겠습니다.

티타늄은 어떻게 처음 발견되었을까요?

1791년으로 거슬러 올라가는 이야기를 들려드리겠습니다. 영국에 사는 윌리엄 그레고르라는 사람이 시냇물 근처에서 이상한 검은 모래를 발견했습니다. 그는 취미로 암석을 연구하는 교회 지도자였습니다. 그는 자석이 모래를 끌어당기는 것을 보았습니다. 그가 그것을 연구한 후, 그는 그것이 산화철을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 또한 그가 알지 못하는 또 다른 흰색 금속 산화물도 있었습니다. 그는 새로운 화학 원소를 발견했습니다. 몇 년 후인 1795년에 독일 과학자 마틴 하인리히 클라프로트가 이 원소를 다시 독자적으로 발견했습니다. 그는 그것을 루틸이라는 광물에서 발견했습니다. 클라프로트는 그것에 티타늄이라는 이름을 붙였습니다. 그는 그것을 그리스 신화의 강력한 티탄족의 이름을 따서 지었습니다.

이 매우 유용한 금속이 오랫동안 우리 주변에 있었다고 생각하니 재미있습니다. 그것은 우리가 걷는 땅에서 아홉 번째로 풍부한 원소입니다. 대부분의 화성암과 흙에서 찾을 수 있습니다. 비록 그것이 많이 있지만, 우리가 순수한 형태로 티타늄 금속을 얻을 수 있기까지 발견된 후 100년 이상이 걸렸습니다. 이것을 처음 한 사람은 1910년의 매튜 A. 헌터였습니다. 그는 염화 티타늄을 나트륨으로 가열하는 방법을 발견했습니다. 이것은 마침내 순수한 금속 원소를 분리했습니다. 이것은 티타늄이 얼마나 반응성이 좋은지를 보여줍니다. 또한 왜 다른 것들로부터 분리하기가 그렇게 어려웠는지도 보여줍니다.

티타늄은 왜 그렇게 강하면서도 가벼울까요?

티타늄이 어떤 것인지에 대해 이야기할 때, 저는 항상 무게 대비 놀라운 강도로 시작합니다. 그것은 어떤 금속 원소보다도 최고의 강도 대 무게 비율을 가지고 있습니다. 순수한 상태에서 순수한 티타늄은 일부 일반적인 유형의 강철만큼 강합니다. 그러나 그것은 훨씬 덜 무겁습니다. 이것은 많은 무게 없이 많은 강도를 얻는다는 것을 의미합니다. 그것은 알루미늄보다 약간 무겁지만, 매우 일반적인 알루미늄 합금보다 두 배 이상 강합니다. 주기율표에서 티타늄은 Ti라는 글자로 표시됩니다. 그것의 원자 번호는 22입니다. 그것은 전이 금속이며, 그것이 그것의 특별한 특징 중 일부를 제공합니다.

높은 강도를 가지고 동시에 가볍다는 것은 많은 직업에 있어서 매우 큰 문제입니다. 생각해 보세요. 강철 부품만큼 강하지만 훨씬 가벼운 부품을 만들 수 있습니다. 이것은 항공우주 세계에서 매우 중요하며, 여기서 절약할 수 있는 모든 파운드가 도움이 됩니다. 그러나 그것의 좋은 점은 거기서 멈추지 않습니다. 티타늄은 또한 특히 산소가 없을 때 모양을 만들기 쉽습니다. 또한 높은 융점을 가지고 있습니다. 그것은 열이나 전기를 전달하는 데 좋지 않으며, 이는 어떤 경우에는 좋은 일이 될 수 있습니다. 티타늄을 매우 특별하게 만드는 이러한 것들이 우리가 티타늄을 매우 훌륭한 방식으로 사용할 수 있게 해줍니다.

순수한 티타늄 금속은 어떻게 얻을 수 있을까요?

순수한 티타늄을 얻는 것은 그것을 파내는 것만큼 쉽지 않습니다. 그 원소는 보통 일메나이트와 루틸과 같은 광물에 있습니다. 어려운 부분은 티타늄이 특히 뜨거워질 때 매우 반응성이 좋다는 것입니다. 그것은 산소, 질소, 탄소와 결합하는 것을 좋아합니다. 그것이 매우 반응성이 좋기 때문에 금속을 꺼내는 것은 어려운 일입니다. 철로 하는 것처럼 탄소로 녹일 수 없습니다. 그것은 우리가 원하는 순수한 금속이 아닌 탄화 티타늄을 만들 것입니다.

오늘날 우리가 그것을 하는 주요 방법은 크롤 공정이라고 불립니다. 그것은 1940년대에 윌리엄 크롤에 의해 만들어졌습니다. 그것은 많은 단계를 가지고 있습니다. 그것은 티타늄 광석으로부터 염화 티타늄을 만드는 것으로 시작합니다. 이 액체는 그 후 청소됩니다. 그런 다음, 그것은 매우 높은 열에서 밀봉된 오븐에서 마그네슘과 혼합됩니다. 마그네슘은 염화물을 제거합니다. 이것은 티타늄 스펀지라고 불리는 스펀지처럼 보이는 물질을 남깁니다. 이 스펀지는 그 후 분쇄되고, 압착되고, 특수 용광로에서 녹여서 금속 티타늄의 단단한 블록을 만듭니다. 그것은 어렵고 비용이 많이 드는 과정입니다. 그것이 티타늄과 그 합금이 다른 금속보다 더 비쌀 수 있는 한 가지 이유입니다.

정확히 이산화티타늄이란 무엇일까요?

우리가 파내는 티타늄 광석의 대부분이 티타늄 금속을 만드는 데 사용되지 않는다는 것을 알면 놀랄 수도 있습니다. 그것의 대부분은 이산화 티타늄(TiO2)을 만드는 데 사용됩니다. 이것은 매우 밝은 흰색 가루입니다. 밝은 흰색 페인트, 플라스틱, 종이, 심지어 치약을 볼 때, 당신은 아마도 이산화 티타늄을 보고 있을 것입니다. 그것은 다른 색상을 숨기거나 덮는 데 매우 좋습니다. 저는 그것이 집 페인트에서부터 약 알약의 코팅에 이르기까지 모든 것에 사용되는 것을 보았습니다.

흰색으로 사용되는 것 외에도 이산화 티타늄은 몇 가지 다른 멋진 용도를 가지고 있습니다. 매우 작은 입자로서, 그것은 자외선 차단제에 사용됩니다. 그것은 태양으로부터의 나쁜 자외선을 차단하는 데 매우 좋습니다. 이산화 티타늄 나노 입자는 너무 작아서 피부에서 흰색으로 볼 수 없지만, 여전히 훌륭한 보호를 제공합니다. 그것은 또한 공기와 물을 청소하는 데 도움이 되는 데 사용됩니다. 따라서, 우리가 종종 티타늄 금속과 합금의 강도에 대해 이야기하지만, 화합물 티타늄 산화물은 우리가 보지 못할 수도 있는 방식으로 우리 삶의 큰 부분입니다.

티타늄 합금이란 무엇이며 왜 사용할까요?

순수한 티타늄은 그 자체로 훌륭합니다. 그러나 우리는 그것을 다른 원소와 혼합하여 훨씬 더 좋게 만들 수 있습니다. 이것은 티타늄 합금을 만듭니다. 합금은 그것을 더 좋게 만들기 위해 다른 것들과 혼합된 금속입니다. 티타늄의 경우, 우리는 종종 알루미늄, 바나듐, 몰리브덴, 니켈과 같은 것을 추가합니다. 이것들을 추가하면 금속을 훨씬 더 강하고, 더 강인하고, 더 나은 성능을 발휘하게 만들 수 있습니다. 모든 티타늄 합금 중에서 가장 널리 사용되는 것은 Grade 5입니다. 그것은 또한 Ti-6Al-4V로 알려져 있습니다. 그것은 6% 알루미늄과 4% 바나듐을 가지고 있습니다.

티타늄 합금에는 여러 종류가 있습니다. 주요한 것들은 알파, 베타, 알파-베타 합금입니다. 이것은 단지 원자가 금속 내부에서 어떻게 설정되어 있는지에 대해 이야기합니다. 그것은 약간 기술적으로 들릴 수도 있지만, 이것이 다른 티타늄 합금 등급에 특별한 특징을 부여하는 것입니다. 예를 들어, 일부 합금은 매우 높은 강도를 위해 만들어집니다. 다른 것들은 뜨거운 장소에서 더 잘 작동하거나 더 나은 내식성을 갖도록 만들어집니다. 이러한 다른 티타늄 및 티타늄 합금을 만들어서, 우리는 특정 작업에 맞는 재료를 만들 수 있습니다. 그것은 제트 엔진 부품 또는 의료 임플란트가 될 수 있습니다.

왜 티타늄은 비행기와 우주선에 그토록 중요한가?

티타늄 응용 분야에 대해 생각할 때, 제가 가장 먼저 생각하는 것은 항공우주입니다. 비행기를 만드는 사람들은 항상 그것들을 더 가볍게 만들고 연료를 덜 사용하려고 노력합니다. 이것은 티타늄을 완벽한 재료로 만듭니다. 그것은 강하지만 무겁지 않기 때문에, 티타늄 부품은 강철 부품보다 가볍게 만들 수 있지만 여전히 똑같이 강할 수 있습니다. 만들어지는 모든 티타늄 금속의 약 3분의 2가 항공기 엔진과 본체에 사용됩니다. 당신은 그것을 랜딩 기어, 엔진 부품, 비행기의 주요 프레임과 같은 매우 중요한 부품에서 찾을 수 있습니다.

제트 엔진이 얼마나 잘 작동하는지는 그것들이 만들어진 재료에 크게 달려 있습니다. 엔진 부품은 매우 뜨거운 온도와 많은 스트레스를 처리해야 합니다. 티타늄 합금은 이것에 완벽합니다. 그것들은 뜨거워질 때 강도를 유지하고 훌륭한 내식성을 가지고 있습니다. 이것은 그것들을 엔진의 팬 블레이드, 디스크, 케이스에 훌륭하게 만듭니다. 더 많은 새로운 재료로 새로운 비행기가 설계됨에 따라, 티타늄의 사용은 아마도 훨씬 더 커질 것입니다. 이것은 그것을 오늘날 비행에 대한 핵심 재료로 만듭니다.

인체 내부의 의료 부품에 티타늄을 정말로 사용할 수 있습니까?

네, 할 수 있습니다. 그리고 그것은 티타늄의 가장 놀라운 응용 분야 중 하나입니다. 인체는 외부로부터의 재료에 대한 힘든 장소가 될 수 있습니다. 그러나 티타늄은 몸에 매우 친화적입니다. 이것은 그것이 독이 아니고 몸이 그것과 싸우려고 하지 않는다는 것을 의미합니다. 사실, 몸은 그것을 너무 잘 받아들여서 뼈가 실제로 티타늄 임플란트 위로 자랄 수 있습니다. 이것은 골유착이라고 불립니다. 이 특별한 힘은 티타늄 임플란트를 매우 안정적이고 오래 지속되게 만듭니다.

당신은 티타늄이 병원에서 널리 사용되는 것을 볼 수 있을 것입니다. 그것은 엉덩이와 무릎 교체, 뼈 플레이트와 나사, 가짜 치아 뿌리와 같은 것에 사용됩니다. 심박 조율기 케이스와 몸 안에 들어가는 다른 장치도 종종 티타늄으로 만들어집니다. 이것은 그것이 몸 안의 유체에 대한 훌륭한 내식성을 가지고 있기 때문입니다. 또 다른 큰 장점은 자석이 티타늄을 당기지 않는다는 것입니다. 이것은 티타늄 임플란트를 가진 사람들이 안전하게 MRI 스캔을 받을 수 있다는 것을 의미합니다. 의학에서 이 훌륭한 금속의 사용은 수백만 명의 사람들에게 삶을 훨씬 더 좋게 만들었습니다.

티타늄의 종류에는 어떤 것들이 있나요?

모든 티타늄이 똑같은 것은 아닙니다. 사람들이 올바른 재료를 선택하는 데 도움이 되도록, 티타늄은 다른 등급으로 나뉩니다. 티타늄 등급은 상업적으로 순수한 티타늄과 티타늄 합금의 두 가지 주요 그룹으로 나뉩니다. 순수한 등급은 1부터 4까지 번호가 매겨집니다. Grade 1은 가장 부드럽고 모양을 만들기 쉽습니다. 이것은 그것을 많은 굽힘이 필요한 작업에 훌륭하게 만듭니다. Grade 4로 올라갈수록 강도가 높아집니다.

합금 등급은 정말 멋진 곳입니다. 많은 다른 티타늄 합금 등급이 있습니다. 각각은 특정 특징을 얻기 위해 다른 원소가 추가된 특별한 레시피를 가지고 있습니다.

등급	Common Name	주요 기능
Grade 5	Ti-6Al-4V	가장 일반적인 합금으로, 높은 강도와 모양을 만들 수 있는 좋은 능력을 가지고 있습니다.
Grade 7	Ti-0.15Pd	Grade 2와 같지만 최고의 내식성을 위해 팔라듐이 추가되었습니다.
Grade 12	Ti-0.3Mo-0.8Ni	더 많은 강도와 내식성을 위해 몰리브덴과 니켈을 가지고 있습니다.
Grade 23	Ti-6Al-4V ELI	더 순수한 종류의 Grade 5로, 종종 의료 티타늄 임플란트에 사용됩니다.

올바른 티타늄 등급을 선택하는 것은 모든 작업에 매우 중요합니다. 당신은 강도, 녹과 얼마나 잘 싸우는지, 재료가 얼마나 다루기 쉬운지의 좋은 조합을 찾아야 합니다.

티타늄은 어떻게 녹에 그토록 잘 저항할까요?

티타늄에 대한 가장 좋은 것 중 하나는 그것의 놀라운 내식성입니다. 이 금속은 해수, 염소, 많은 유형의 산으로부터의 부식에 매우 강합니다. 이것의 비결은 매우 얇고 투명한 이산화 티타늄(산화물 필름) 층입니다. 이 층은 산소에 닿을 때 표면에 형성됩니다. 이 보호 산화물 층은 매우 강하고, 강인하며, 스스로 고칠 수 있습니다. 표면에 긁힘이 생기면, 약간의 산소나 물이 있는 한 새로운 층이 즉시 형성됩니다.

이 보호 필름은 스테인리스 스틸에 형성되는 것보다 더 강합니다. 이것이 티타늄이 종종 다른 금속이 부식으로 인해 작은 구멍이나 균열이 생길 수 있는 힘든 장소에서 더 잘 작동하는 이유입니다. 이 훌륭한 내식성은 티타늄이 바다, 화학 처리 공장, 소금물에서 담수를 만드는 공장에서 사용하기에 매우 귀중한 큰 이유입니다. 그것은 어떤 문제도 없이 가장 어려운 작업 중 일부를 처리할 수 있는 강인한 금속입니다.

일상생활에서 티타늄은 어떤 용도로 사용되나요?

항공우주 및 의학에서의 사용으로 알려져 있지만, 당신은 매일 사용하는 많은 것에서 티타늄을 발견하면 놀랄 수도 있습니다. 그것은 강하고, 가볍고, 피부 알레르기를 일으키지 않기 때문에, 보석과 안경테에 인기 있는 선택입니다. 당신은 종종 비싼 안경에 "티타늄"이라고 쓰여 있는 것을 볼 수 있을 것입니다. 이것은 프레임이 착용하기 쉽고, 오래 지속되며, 피부를 괴롭히지 않기 때문입니다.

스포츠의 세계도 티타늄을 좋아합니다. 그것의 낮은 무게에 대한 높은 강도는 훌륭하게 작동하는 스포츠 장비를 만드는 데 완벽합니다.