티타늄 합금 세계에서 5등급 티타늄은 항공우주, 자동차, 의료, 석유 및 가스 응용 분야를 지배하는 오랜 친구였습니다. 그러나 특정 비용 효율적이고 정밀한 생산 응용 분야의 경우 5등급 티타늄 합금이 항상 최선의 티타늄 합금 선택은 아닙니다. 5등급과 9등급 합금은 구성이 90% 동일하지만 생산, 인건비, 제조 비용을 고려할 때 두 합금 사이에는 상당한 차이가 있습니다.
이 기사에서는 귀하의 특정 응용 분야에 대해 가장 정확한 정보를 바탕으로 선택할 수 있도록 5등급 및 9등급 티타늄의 특성과 사용 시나리오를 자세히 살펴보겠습니다!
5등급 및 9등급 티타늄은 티타늄 합금입니다. 평균 합금 구성은 최대 95%입니다. 두 재료 모두 31개의 재료 특성 값이 있습니다. 두 가지의 특징을 자세히 비교해 보겠습니다.
5등급 티타늄(Ti-6Al-4V)은 가장 일반적이고 다양한 용도로 사용되는 티타늄 합금입니다. ti-6al4v 상업적으로 판매되는 다른 순수 티타늄보다 훨씬 더 강하면서도 우수한 강성과 열적 특성(열전도율 제외)을 유지합니다. 이것은 고강도 티타늄이며 알파 베타 티타늄 등급의 재료에 속합니다. 알루미늄 6%와 바나듐 4%로 구성되어 있습니다. 저밀도, 고강도 및 높은 내식성이 특징입니다. 이러한 유형의 티타늄은 항공기 부품, 우주선 구조물에 사용되며 가벼운 무게로 인해 항공우주 응용 분야의 연료 효율성에 기여합니다. 또한 인체에 대한 반응성이 낮아 의료용 임플란트, 해양 응용 분야 및 스포츠 장비 제조에도 사용됩니다. 이러한 유형의 티타늄 합금 바와 빌렛에 대한 일반적인 표준은 ASTM B348이며, 수술용 임플란트 용도로 사용되는 이 등급의 단조 형태에는 ASTM F136 표준이 사용됩니다.
5등급 티타늄은 우수한 소재이며 매우 까다로운 용도에 매우 적합합니다. 필요한 두께를 얻으려면 5등급 티타늄을 미세 절단하거나 연삭해야 하며 작은 게이지 응용 분야에서의 사용은 심각하게 제한됩니다.
5등급 티타늄은 냉간 성형이 불가능하기 때문에 9등급 티타늄만큼 효율적으로 스탬핑하거나 인발할 수 없습니다. 성형 가능한 티타늄 합금에는 더 나은 선택이 있기 때문에 성형이 필요하지 않을 때 가장 자주 사용됩니다.
9등급 티타늄 합금은 2.5% 바나듐과 3% 알루미늄으로 구성되며 알파-베타 합금 범주에 속합니다. 이 티타늄 소재는 용접성, 강도, 내식성 사이의 특성이 균형있게 조합되어 있습니다. 이러한 유형의 티타늄은 화학 공정, 항공우주 응용 분야, 스포츠 장비 및 생체 의학 장치에 사용됩니다. ASTM 표준 B265는 판, 시트 및 스트립 모양에 사용됩니다. ASTM B348은 빌렛 및 바에 사용됩니다.
9등급 티타늄 합금(TI 3-2.5 티타늄 합금이라고 함)은 더 작은 크기로 압연할 수 있으므로 5등급 티타늄 합금보다 더 넓은 범위의 부품에 더 적합합니다. 9등급 티타늄 합금은 내식성이 뛰어나고 1~4등급의 상업적 순수 티타늄 합금보다 더 높은 온도에서 사용할 수 있습니다. 9등급 티타늄 합금은 열처리가 가능하고 용접성이 좋으며 5등급 티타늄 합금보다 형성하기가 훨씬 덜 어렵고 냉간 가공 및 시효 경화로 경화될 수 있습니다. 냉간 가공 및 시효 경화를 통해 경화될 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.
l 의료용 심장박동기
l 테니스 라켓
엘 유압 튜브
l 벌집
l 골프 클럽 샤프트
l 벨로
Ti-6Al-4V로도 알려진 티타늄 5등급은 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 다용도 및 내식성 합금입니다. 탁월한 중량 대비 강도 비율을 자랑하므로 가벼우면서도 내구성이 뛰어난 소재가 가장 중요한 항공기 부품과 같은 항공우주 응용 분야에 이상적입니다. 자동차 산업에서 5등급 티타늄은 엔진 부품과 배기 시스템에 사용됩니다. 임플란트를 포함한 의료기기 역시 생체적합성과 고성능 특성을 활용합니다. 또한 내해수성으로 인해 선박 구조 및 해양 플랫폼의 해양 엔지니어링에 널리 사용됩니다. 마지막으로, 항공우주, 방위, 스포츠 장비 부문은 모두 우수한 기계적 특성과 내구성을 위해 5등급 티타늄을 활용합니다.
Ti64-G5 티타늄 합금은 강철보다 약 50% 낮은 탄성률과 80% 낮은 열전도율을 가지므로 기존 제조 방법으로는 티타늄 합금을 가공하기 어렵습니다. 결과적으로, 다양한 절삭 공구 재료와 티타늄 합금 사이에서 발생할 수 있는 화학 반응은 말할 것도 없고, 제작 공구의 마모가 증가하고 부품의 가공 표면 무결성이 저하됩니다.
이것이 바로 티타늄 적층 제조(AM)가 이러한 문제를 피하고 기존 제조의 절삭 단계를 최소화하는 신뢰할 수 있고 신뢰할 수 있는 솔루션인 이유입니다. 또한 AM은 복잡한 형상의 설계를 허용하고 재료 낭비를 줄입니다.
모든 것은 분말 형태의 Ti6Al4V 합금으로 시작됩니다. 이는 가스 원자화 또는 플라즈마 원자화를 통해 달성할 수 있습니다. 두 방법 모두 3D 프린팅에 사용할 수 있는 구형 Ti6Al4V 입자를 생성합니다. 하지만 어떤 방법을 사용해야 하는지 아는 것이 중요합니다. 왜냐하면 입자 크기와 분말의 특성, 그리고 궁극적으로 인쇄된 부품의 특성을 결정하기 때문입니다.
다목적 티타늄 합금인 Ti6Al4V 5등급은 지향성 에너지 증착(DED), 선택적 레이저 용융(SLM), 적층 가공(LMD), 전자빔 용융(EBM)과 같은 다양한 적층 가공(AM) 기술을 사용하여 제조할 수 있습니다. PBF(Powder Bed Fusion) 공정으로 분류되는 SLM과 DED는 모두 고에너지 레이저를 사용하여 금속 분말을 복잡한 3D 구조로 융합합니다. 이러한 방법은 산소에 대한 친화력으로 인해 티타늄의 일반적인 문제인 산화를 방지하는 불활성 분위기를 제공합니다. 그러나 PBF는 일반적으로 부품 크기가 제한되어 있어 예비 부품이나 의료용 임플란트와 같은 소규모 부품에 이상적입니다. 미세한 분말 입자(<40 µm)는 중요하지만 제조 비용이 증가하고 사용되지 않은 분말은 향후 인쇄에 복구할 수 없습니다.
반면 LMD는 특히 수리, 표면 코팅 또는 새로운 기능 추가를 위해 더 큰 부품을 생산하는 데 탁월합니다. 이는 산화를 최소화하는 데 도움이 되는 불활성 가스 흐름을 통해 금속 분말을 녹여 기판에 융합시키는 레이저 소스를 사용합니다. 그럼에도 불구하고 열 관리 및 기하학적 제약으로 인해 문제가 발생하므로 신중한 취급이 필요합니다.
SLM의 변형인 EBM은 용융에 레이저 대신 전자빔을 사용합니다. 자기장에 의해 유도되는 빔은 정밀도와 최종 제품 품질이 떨어지더라도 SLM에 비해 제조 속도가 더 빠릅니다. 요약하면, 각 AM 기술은 Ti6Al4V 등급 5에 적용될 때 다양한 응용 요구 사항을 충족할 때 고유한 장점과 한계를 가져옵니다.
Ti 3Al-2.5V라고도 하는 티타늄 등급 9는 알루미늄 3%와 바나듐 2.5%가 포함된 티타늄으로 만들어집니다. 티타늄 등급 9의 강도는 등급 4와 5의 중간 수준이지만 성형성과 용접성이 더 좋습니다. 또한 강철보다 무게가 60% 적고 냉간 압연 특성이 좋습니다.
9등급 티타늄 합금(일반적으로 Ti-3-2.5라고 함)은 더 얇은 크기로 압연할 수 있어 향상된 다용성을 자랑하므로 더 다양한 구성 요소와 부품에 대해 5등급 티타늄보다 선호되는 선택입니다. 탁월한 내식성을 통해 표준 상용 등급 1~4에 비해 높은 온도를 견딜 수 있습니다.
냉간 압연 및 성형성 덕분에 Ti-3-2.5는 항공우주, 해양, 자동차 및 의료 산업 전반의 고정밀 응용 분야에서 틈새 시장을 찾습니다. 6~4등급과 달리 이 등급은 0.001인치 또는 0.025밀리미터의 초박형까지 스트레칭, 스탬핑 및 성형이 가능하여 복잡한 제작이 가능합니다. 이 소재는 열처리 및 용접이 가능하며 일반적으로 노화 경화가 필요한 기계 가공이 어려운 5등급보다 관리하기 쉬운 성형 공정을 제공합니다.
몇 가지 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.
● 테니스 라켓
● 의료용 심장박동기
● 주름관
● 유압 오일 호스
● 골프 클럽 샤프트
5등급 티타늄 6Al-4V의 비용 상승
5등급 티타늄은 절단 및 신장 성능이 약간 더 뛰어나지만 그 특성이 인간의 뼈에 가깝기 때문에 의료용 임플란트와 같은 정교한 부품을 만드는 데 더 적합합니다. 또한 열악한 환경에서도 작동할 수 있는 고강도 자전거 부품 및 패스너에도 일반적으로 사용됩니다.
그러나 5등급 티타늄에는 약간의 단점이 있습니다. 9등급만큼 쉽게 구부릴 수 없기 때문에 스탬핑이나 스트레칭이 많이 필요한 경우 9등급이 더 나은 선택일 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 5등급 티타늄은 가열하여 모양을 바꿀 수 있지만 코일을 직접 사용하는 것보다 공정이 더 복잡합니다.
5등급 티타늄은 생산이 매우 정교하고 값비싼 진공 용해 기술을 사용해야 하기 때문에 가격이 비싸며 이로 인해 비용이 증가합니다. 또한 특정 두께를 얻기 위해서는 정밀한 절단이나 연삭이 필요할 수 있으며 이로 인해 특히 소형 제품의 경우 사용 범위가 제한됩니다. 이러한 미세한 처리는 더 이상 녹을 수 없는 폐기물을 발생시켜 많은 자원을 낭비하게 됩니다.
전반적으로 5등급 티타늄은 고품질 선택이며 특히 성능이 매우 요구되는 분야에 적합하지만 가격과 제조 공정으로 인해 대량 생산에서는 덜 일반적입니다.
9등급 티타늄 3Al-2.5V를 사용한 제조 솔루션
Ti 3Al-2.5V라고 불리는 이 놀라운 금속인 9등급 티타늄은 일부 일반적인 합금을 대체할 수 있으며 사용이 매우 쉽습니다. 블록을 가지고 노는 것만큼 가공이 쉬우며 특히 항공기 부품이나 의료 장비 제작과 같이 매우 높은 정밀도가 요구되는 작업에 적합합니다. 이 금속의 또 다른 장점은 다른 금속처럼 미리 대량으로 보관할 필요가 없다는 점이다. 언제든지 주문이 가능하고, 배송도 빨라 창고 비용이 많이 절약된다.
Ti 3Al-2.5V의 장점은 매우 얇은 실, 종이 같은 시트로 만들 수 있으며 일반적으로 사용되는 5등급 티타늄 합금보다 작은 부품에 더욱 적합하다는 것입니다. 게다가 부식에 매우 강하고 더 높은 온도에서도 작동할 수 있습니다. 마치 퍼티를 가지고 노는 것처럼 구부리거나 납작하게 만들거나 다양한 모양으로 만들 수도 있습니다. 또한, 열처리 후에 더욱 강해지며, 용접이 용이하여 5급 티타늄 합금만큼 취급이 어렵지 않습니다. 전반적으로 Ti 3Al-2.5V는 사용하기 쉽고 경제적이기 때문에 정밀 제조 및 엔지니어링에 이상적입니다.
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