티타늄 Grade 2와 Grade 5: 쓰지 않는 강도에 돈을 내고 있을 수 있습니다

대부분의 사람에게 기본 티타늄은 Grade 5입니다. 전체 티타늄 사용량의 약 절반을 차지하고, 항공 분야에서 “티타늄”이라고 하면 곧 Grade 5를 뜻합니다. 그리고 Grade 2로도 더 적은 비용과 더 적은 수고로 충분한 도면에도 올라가 있습니다.

Grade 2로 바꾸는 것이 틀린 경우도 있습니다. 하지만 틀리지 않은 경우가 많습니다. 판단하는 방법은 다음과 같습니다.

두 가지 합금

Grade 2는 순수 티타늄입니다. 약 99 %가 티타늄이고 산소와 철 함량이 관리됩니다. 단상 알파 조직입니다. 무르고 연성이 좋으며, 내식성이 매우 높고 용접과 성형이 쉽습니다.

Grade 5는 Ti-6Al-4V입니다. 알루미늄 6 %, 바나듐 4 %. 알파-베타 2상 조직으로 열처리가 가능하며, 강도는 Grade 2의 약 3배입니다.

	Grade 2	Grade 5 (Ti-6Al-4V)
항복 강도	~275 MPa	~830 MPa
인장 강도	~345 MPa	~900 MPa
경도	~145 HV	~340 HV (~36 HRC)
연신율	~20 %	~14 %
최고 사용 온도	~300 °C	~400 °C
용접성	매우 우수	양호, 주의와 불활성 가스 차폐 필요
성형성	냉간 성형 양호	냉간 성형 불량, 열간 성형 필요
내식성	둘 중 우수	매우 양호, Gr 2보다 약간 낮음
상대 소재비	기준	~1.3–1.6×
상대 가공비	Grade 5의 ~0.5–0.7×	기준

두 줄은 다시 볼 가치가 있습니다. Grade 2의 내식성은 더 나쁜 것이 아니라 더 좋습니다. 합금 원소가 내식성을 약간 낮추기 때문입니다. 그리고 Grade 2는 가공이 약 두 배 쉬우며, 복잡한 부품에서는 이것이 소재 가격보다 더 중요할 수 있습니다.

Grade 2가 정답인 경우

요구 조건이 하중이 아니라 부식일 때. 화학 공정 배관, 열교환기 부품, 양극, 해수 배관 부품, 담수화 설비 부품, 선박 장식 부품. 부품의 역할이 부식되지 않는 것이라면, 더 저렴하고 내식성이 더 좋은 합금이 곧 더 나은 합금입니다.

부품을 용접할 때. Grade 2는 쉽게 용접됩니다. Grade 5도 용접은 되지만 용접부와 열영향부의 연성이 떨어지고, 앞뒤 양면에 제대로 된 불활성 가스 차폐가 필요합니다. 용접 구조물이라면 Grade 2로 리스크 한 범주가 사라집니다.

부품을 성형할 때. Grade 2는 냉간 성형이 가능합니다. Grade 5는 대부분 불가능합니다.

응력이 실제로 낮을 때. 거의 하중을 받지 않지만 화학적 환경을 견디거나, 비자성이면서 가벼워야 하는 브래킷, 커버, 하우징, 스페이서.

규격이 허용하는 의료용 임플란트. 강도가 허용되는 임플란트 부품에는 Grade 2와 Grade 4가 쓰이고, 고강도가 필요한 경우는 Grade 23 ELI가 맡습니다.

Grade 5가 제값을 하는 경우

구조 하중. 의미 있는 응력을 받는 모든 부품. 항복 강도 3배는 작은 여유가 아닙니다.

피로. 반복 하중에서는 Grade 5가 확실히 유리합니다.

나사와 작은 하중 지지 형상. Grade 2 나사는 Grade 5라면 아무렇지 않은 하중에서 갤링이 생기고 뭉개집니다.

하중을 받는 고온 환경.

무게가 중요한 구조물. 비강도가 애초에 티타늄을 선택한 이유인 경우입니다.

그 사이의 등급

선택지는 둘만 있는 것이 아닙니다.

Grade 9 (Ti-3Al-2.5V) 는 중간에 위치합니다. 항복 강도 약 620 MPa에 용접과 성형이 여전히 가능하며, 튜브와 유압 라인에 흔히 쓰입니다. 2와 5만 아는 구매자들이 잘 쓰지 않는 등급입니다.

Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) 는 산소와 철을 줄여 파괴 인성과 극저온 성능을 높인 Grade 5입니다. 임플란트와 일부 항공 분야의 표준입니다. 더 비싸고 소재 수급도 더 빠듯합니다.

Grade 7과 11 은 팔라듐을 첨가해, 순수 티타늄이 견디기 어려운 환원성 산에서도 내식성을 확보합니다.

Grade 12 는 몰리브덴과 니켈을 첨가해 고온에서의 틈새 부식 저항성을 높였습니다.

가공에 대해 간단히

두 합금은 티타늄의 기본 특성을 공유합니다. 낮은 열전도율, 화학적 반응성, 스프링백, 그리고 공구가 계속 움직이면서 제대로 된 칩 부하를 유지해야 한다는 엄격한 조건입니다. 가공 조건은 Ti-6Al-4V 가공에 정리했으며, Grade 2에는 절삭 속도를 약 50–80 % 높여 적용하면 됩니다.

Grade 2 고유의 문제는 끈적인다는 점입니다. 날 끝에 구성인선이 생기고 전단되지 않고 뜯겨 나가므로, 공구가 날카롭지 않으면 표면이 나빠질 수 있습니다. Grade 5의 문제는 열과 공구 마모입니다. 증상은 다르지만 해법은 같습니다. 날카로운 공구, 충분한 이송, 고압 절삭유.

박육 부품에서는 Grade 2의 낮은 강성 때문에 변형이 오히려 더 심해집니다. 박육 티타늄 부품을 참고하십시오.

질문 하나로 판단하기

이 부품은 무엇으로부터 보호받아야 합니까? 하중입니까, 화학적 환경입니까?

답이 화학적 환경이라면 Grade 2에서 시작하고, 응력 계산상 필요할 때만 등급을 올리십시오. 답이 하중이라면 Grade 5에서 시작하십시오.

둘 다라면 사용 환경과 하중을 함께 견적 요청에 적어 주십시오. 도면이 확정되기 전에 저희 담당 엔지니어가 도울 수 있는 종류의 질문이며, 초품이 나온 뒤보다 그때 묻는 편이 훨씬 저렴합니다.

배경 자료: 티타늄 합금(영문).

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