티타늄 합금 와이어 컷팅의 난제와 해결 방안

CNC 가공으로 티타늄을 가공하려 할 때, 티타늄 합금을 더 쉽게 가공하는 방법을 고민하게 됩니다. 와이어 컷팅(방전 가공)으로 티타늄 합금을 가공하는 것은 늘 난제로 꼽히지만, 역설적으로 와이어 컷팅이 최적의 가공법이기도 합니다. 왜 티타늄 합금 와이어 컷팅이 어려울까요?

이를 풀려면 먼저 티타늄 합금의 대표적인 금속 물성을 이해해야 합니다.

티타늄 합금이란?

티타늄은 신소재 금속입니다. 티타늄의 성능은 탄소, 질소, 수소, 산소 등 불순물 함량과 관련됩니다. 가장 순수한 요오드화 티타늄은 불순물 ≤0.1%지만 강도가 낮고 연성이 높습니다. 99.5% 공업용 순수 티타늄의 물성은 밀도 ρ=4.5g/cm³, 융점 1725℃, 열전도율 λ=15.24W/(m·K), 인장 강도 σb=539MPa, 연신율 δ=25%, 단면 수축률 ψ=25%, 탄성 계수 E=1.078×10⁵MPa, 경도 HB195입니다.

티타늄 합금의 주요 물성

• 고비강도 (High Specific Strength)

티타늄 합금 밀도는 약 4.51g/cm³로 강철의 60% 수준입니다. 순수 티타늄 밀도는 일반 강철과 비슷하며, 일부 고강도 티타늄 합금은 다수 합금 구조용 강철의 강도를 웃돕니다. 따라서 티타늄 합금의 비강도(강도/밀도)는 타 금속 구조재를 크게 상회하며, 단위 강도 높고 강성이 좋으며 경량인 부품 제작에 유리합니다. 항공기 엔진 부품, 골격, 외피, 패스너, 랜딩기어, 우주 항공 부품 등에 쓰입니다.

• 고열강도 (High Thermal Strength)

사용 온도가 알루미늄 합금보다 수백 ℃ 높으며, 중온에서도 필요 강도를 유지합니다. 450~500℃에서 장기 작동 가능하나, 알루미늄 합금은 150℃에서 비강도가 급감합니다. 티타늄 합금 작동 온도 500℃, 알루미늄 합금은 200℃ 미만입니다.

• 우수한 내식성 (Good Corrosion Resistance)

습윤 대기 및 해수 환경에서 스테인리스강보다 내식성이 훨씬 우수하며, 점식(피팅), 산 부식, 응력 부식에 특히 강합니다. 왕수, 질산, 황산 등에 대한 내식성도 탁월합니다. 단, 환원성 산소 분위기와 크롬염 매질에는 내식성이 떨어집니다.

• 양호한 저온 특성 (Good Low-Temperature Performance)

티타늄 합금은 저온·극저온에서도 기계적 특성을 유지합니다. 극저온에서 간극 원소 함량이 극히 낮은 티타늄 합금(예: TA7)은 -253℃에서도 일정 연성을 유지하므로 중요 저온 구조재로 쓰입니다.

• 높은 화학적 활성 (High Chemical Activity)

티타늄은 화학적 활성이 높아 대기 중 O, N, H, CO, CO₂, 수증기, 암모니아 등과 격렬히 반응합니다. 탄소 함량 >0.2% 시 경질 TiC 생성, 고온에서 질소와 반응해 경질 TiN 표면층 형성, 600℃ 이상에서 산소 흡수로 고경도 경화층 형성, 수소 흡수 시 취성층 형성합니다. 가스 흡수로 인한 경질 취성 표면층 깊이는 0.1~0.15mm, 경화도는 20~30%입니다. 화학적 친화력도 커 마찰면에서 들러붙기 쉽습니다.

• 낮은 열전도율 (Small Thermal Conductivity)

티타늄 열전도율 λ=15.24W/(m·K)는 니켈의 1/4, 철의 1/5, 알루미늄의 1/14 수준이며, 티타늄 합금은 티타늄보다 약 50% 더 낮습니다. 탄성 계수는 강철의 약 1/2로 강성이 낮아 변형되기 쉬워, 가는 봉이나 박벽 부품에는 부적합합니다.

요약

위 금속 물성을 종합하면, 티타늄은 고강도, 고경도, 고내열성, 저열전도율 금속입니다. 와이어 컷팅 공정은 몰리브덴 와이어와 공작물 간 고주파 방전으로 순간 고온을 발생시켜 금속을 용융 절단하는 전기 부식 현상을 이용합니다.

티타늄 금속은 상온 대기에서 매우 안정적입니다. 고온에서 일정 시간 가열해야 색이 변하는데, 주로 청색으로 변합니다. 이는 대기 중 가열 시 산소와 산화해 치밀한 산화 피막(TiO₂)을 형성하기 때문입니다. 이 산화 피막은 티타늄 표면을 보호할 뿐 아니라 변색의 근본 원인입니다. 반응식: Ti+O₂→TiO₂, 조건: 고온 가열(와이어 컷팅 절단 슬릿 양측의 열영향층). 저온에서는 산화 피막이 거의 투명해 육안 식별이 어렵지만, 온도 상승에 따라 피막이 두꺼워지며 빛 간섭으로 다양한 색이 나타납니다. 따라서 산화 피막 두께가 티타늄 표면 색을 결정합니다.