제조공정
산업 제조
티타늄은 주기율표상 전이 금속으로 기호 Ti로 표시됩니다. 원자번호 22, 원자량 47.90인 가볍고 은회색 소재입니다. 밀도 4510 kg/m³로 알루미늄과 스테인리스강 사이입니다. 녹는점 약 3,032°F(1,667°C), 끓는점 5,948°F(3,287°C). 지르코늄, 실리콘과 화학적으로 유사. 탁월한 내식성과 높은 강도-중량비 보유.
티타늄은 지구 지각의 약 0.62%로 4번째 풍부한 금속. 순수 형태론 드물게 발견되며, 아나타제, 브루카이트, 일메나이트, 류콕세네, 페로브스카이트, 루틸, 스펜 같은 광물에 존재. 상대적 풍부함에도 분리 난이도로 고가 유지. 티타늄 정광 주요 생산국: 호주, 캐나다, 중국, 인도, 노르웨이, 남아공, 우크라이나. 미국 내 주요 생산주: 플로리다, 아이다호, 뉴저지, 뉴욕, 버지니아.
수천 가지 티타늄 합금이 개발돼 4대 범주로 분류. 기본 화학 구조와 제조 중 조작 방식에 따라 특성 결정. 합금 원소론 알루미늄, 몰리브덴, 코발트, 지르코늄, 주석, 바나듐 등. 알파상 합금: 강도 가장 낮으나 성형·용접 용이. 알파+베타 합금: 고강도. 니어 알파 합금: 중강도이나 크리프 저항 양호. 베타상 합금: 티타늄 합금 중 최고 강도이나 연성 부족.
티타늄과 합금 응용 분야 다수. 항공우주 산업이 최대 사용처. 높은 강도-중량비와 고온 특성 덕분. 비행기 부품과 패스너에 주로 쓰임. 같은 특성으로 가스터빈 엔진 생산에도 유용: 압축기 블레이드, 케이싱, 엔진 카울링, 열차폐.
내식성 좋아 금속 마감 산업서 중요: 열교환 코일, 지그, 라이닝 제작. 염소·산 저항으로 화학 공정서 중요: 화학 생산라인 펌프, 밸브, 열교환기. 석유 정제 산업 콘덴서 튜브에 내식성 활용. 해수 담수화 설비에도 유용.
인체 적합성 좋아 인체 임플란트 생산에 사용. 2001년 최초 인체 이식 인공심장이 대표적 최근 사례. 고관절 치환, 심박동기, 제세동기, 팔꿈치·고관절에도 사용.
소비재 생산에도 다양하게 쓰임: 신발, 장신구, 컴퓨터, 스포츠 용품, 시계, 조각. 이산화티타늄으로 플라스틱, 종이, 페인트 백색 안료. 백색 식용 색소, 화장품 자외선 차단제로도 쓰임.
대다수 역사가 윌리엄 그레고르를 티타늄 발견자로 봅니다. 1791년 메나차나이트(영국 광물) 연구 중 새 원소 인지하고 결과 발표. 몇 년 뒤 독일 화학자 M. H. 클라프로트가 루틸 광석서 재발견. 클라프로트가 신화 거인 티탄에서 따 티타늄 명명.
그레고르와 클라프로트 모두 티타늄 화합물 연구. 1875년 러시아 키릴로프가 최초 유의미한 고순도 티타늄 분리. 1910년 매튜 헌터와 동료들이 사염화티타늄을 가열 강철 폭탄에서 나트륨과 반응시켜 순수 금속 분리를 입증. 개별 순수 티타늄 조각 생산. 1920년대 중반 네덜란드 과학자 그룹이 요오드화티타늄 해리 반응으로 소량 순수 티타늄 와이어 제작.
이 시연들이 윌리엄 크롤로 하여금 티타늄 효율적 분리법 실험 촉발. 초기 실험이 1937년 마그네슘 환원법 개발로 이어짐. 이 크롤 공정이 현재도 티타늄 생산 주공정. 최초 티타늄 제품 1940년대 와이어, 시트, 로드 등으로 출시.
크롤 연구가 실험실 규모 티타늄 생산법 시연했으나 대량 생산 적용까진 거의 10년 더 걸림. 미국 광무국이 1938~1947년 R. S. 딘 지휘 아래 수행. 1947년 크롤 공정 여러 수정 거쳐 티타늄 금속 약 2톤 생산. 1948년 듀폰 최초 대량 제조 가동.
대량 생산법으로 티타늄 구조재 활용 가능. 1950년대 항공우주 산업 항공기 제작에 주로 사용. 티타늄이 많은 용도서 강철 우월해 산업 급성장. 1953년 연간 생산 200만 파운드(907,200kg) 도달, 주 고객 미국 군대. 1958년 군이 유인기에서 미사일로 초점 이동(강철 더 적합)하며 수요 급감. 이후 티타늄 산업 다양한 호불황 주기 겪음. 수많은 새 응용·산업 발견. 현재 티타늄 약 80% 항공우주, 20% 비항공우주 산업 사용.
티타늄은 지구상 자연 발생 다양한 광석서 얻음. 티타늄 생산 주 광석: 일메나이트, 류콕세네, 루틸. 기타 주요 소스: 아나타제, 페로브스카이트, 스펜.
일메나이트와 류콕세네는 티타늄 함유 광석. 일메나이트(FeTiO₃) 약 53% 이산화티타늄 함유. 류콕세네 구성 비슷하나 약 90% 이산화티타늄. 경암 퇴적물이나 해변·충적사서 발견. 루틸은 비교적 순수 이산화티타늄(TiO₂). 아나타제는 이산화티타늄 다른 결정형으로 최근 상업적 티타늄 소스 부상. 둘 다 주로 해변·모래 퇴적물서 발견.
페로브스카이트(CaTiO₃)와 스펜(CaTi-SiO₅)은 칼슘-티타늄 광석. 칼슘 제거 어려워 상업적 티타늄 생산엔 미사용. 미래엔 페로브스카이트 상업적 활용 가능성—약 60% 이산화티타늄에 칼슘만 불순물. 스펜은 실리콘 두 번째 불순물로 티타늄 분리 더 어려움.
광석 외 티타늄 생산용 기타 화합물: 염소 가스, 탄소, 마그네슘.
티타늄은 자전거 프레임, 고관절 임플란트, 안경테, 귀걸이 등 다양하게 쓰입니다.
티타늄은 크롤 공정으로 생산. 단계: 추출, 정제, 스펀지 생산, 합금 제조, 성형. 미국서 많은 제조사가 생산 단계별 전문화. 예: 스펀지만 만드는 곳, 용해·합금만 만드는 곳, 완제품만 만드는 곳. 현재 단일 제조사가 전 단계 완수하는 경우 없음.
순수 티타늄 생산 중 상당량 염화마그네슘 발생. 생산 즉시 재활용 셀서 재활용. 재활용 셀 먼저 마그네슘 금속 분리, 염소 가스 회수. 두 성분 티타늄 생산 재사용.
티타늄 제조 미래 발전은 잉곳 생산 개선, 신합금 개발, 생산비 절감, 신산업 적용 분야서 기대. 현재 사용 가능 로보다 큰 잉곳 필요. 연구로 대형 로 개발 중. 다양한 티타늄 합금 최적 조성 탐색 중. 궁극적으론 제어된 미세구조 특수 소재 쉽게 생산되길 희망. 최근 케임브리지대 과학자들이 이산화티타늄서 직접 순수 티타늄 생산법 발표—생산비 대폭 절감·가용성 증대 기대.
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Perry Romanowski
제조공정
배경 페인트—액체 또는 페이스트 형태의 비히클에 분산된 안료—는 보호와 장식 두 목적을 겸합니다. 붓, 롤러, 스프레이건으로 목재, 금속, 석재 등에 도포합니다. 최초 알려진 벽화는 2만~2만 5천 년 전 프랑스와 스페인 동굴에 남아 있습니다. 원시 예술가는 흙 안료, 숯, 열매 즙, 돼지기름, 혈액, 밀크위드 수액 등 주변 천연 물질로 인간과 동물을 그렸습니다. 이후 중국, 이집트, 히브리, 그리스, 로마 문명이 기술을 발전시켜 황토 적/황, 분필, 비화황, 공작석 녹색 같은 안료를 아라비아 고무, 석회, 난백, 밀랍 같은 바인더
티타늄이 자동차 시장에서 사용되나요? 사용됩니다. 다만 일반적인 자동차 양산보다는 애프터마켓, 레이싱 또는 고성능 자동차 산업 부문과 오토바이에서 더 많이 사용되는 것을 봅니다. 고출력 엔진의 밸브 트레인 부품(밸브, 밸브 스프링, 밸브 스프링 리테이너, 로커 암, 손목 핀, 커넥팅 로드 등)에서 볼 수 있습니다. 높은 강도와 경량화가 요구되는 다른 레이싱 용도에도 티타늄이 사용됩니다. 고성능 용도에서 티타늄 사용의 장점은 무엇인가요? 강도를 희생하지 않고 무게를 줄이면 성능을 얻습니다. 성능은 연비 향상, 적재 용량 증가, 레이싱