티타늄은 알루미늄보다 두 배나 강하고, 모든 금속 중에서 강도 대 중량 비율이 가장 높으며, 생체적합성이 있습니다. 이러한 특성으로 인해 혹독한 환경을 견뎌야 하는 제품에 선호되는 소재입니다. 하지만 이러한 강도로 티타늄을 가공하는 데 어려움이 있을까요?
CNC 가공 티타늄의 여정을 공개하는 이 기사를 통해 알아보세요. 가공 과제, 일반적인 티타늄 등급, 가공 티타늄의 응용 분야에 대해 언급합니다.
CNC 가공에 티타늄을 선택해야 하는 이유는 무엇입니까?
티타늄의 역사는 비교적 최근입니다. 20세기에 헌터가 처음으로 분리했고, XNUMX세기 중반 소련이 군사적 용도로 처음 상업적으로 사용했습니다. 시간이 지나면서 항공 및 해양 산업에서 인기를 얻었습니다.
하지만, CNC 가공에 적합한 이유는 무엇일까요? 다음과 같은 특징이 있습니다.
부식 저항
티타늄은 부식 방지 기능이 있습니다. 공기에 노출되는 순간 표면에 얇고 안정적인 산화막을 형성합니다. 이산화티타늄막은 장벽 역할을 하여 산화나 부식을 더욱 방지합니다.
가벼움
티타늄은 강철과 비슷한 강도를 가지고 있지만 무게는 40% 더 가볍습니다. 밀도는 약 4.5g/cm³인 반면 강철의 밀도는 약 7.8g/cm³입니다. 이는 항공우주 산업과 무게가 중요한 곳에서 유용합니다.
생체적합성
티타늄은 불활성 특성과 생물학적 환경에서의 뛰어난 내식성으로 인해 생체적합성이 있습니다. 체액과 반응하지 않으며 면역 반응을 일으키지 않습니다. 따라서 의료용 임플란트와 보철물에 이상적인 소재입니다.
높은 강도 대 무게 비율
티타늄의 강도 대 중량 비율은 금속 중 가장 높습니다. 알루미늄보다 두 배나 강하지만 무게는 1.67배 더 무거워서 강도 대 중량 비율이 더 뛰어납니다.
비 자기
티타늄은 상자성 즉 약한 자기적 특성을 가지고 있습니다. 비자성 특성은 자성 재료가 장비를 방해할 수 있는 가공 공정에서 간섭을 줄이는 데 도움이 됩니다.
티타늄 CNC 가공의 과제
티타늄은 많은 바람직한 특성을 가지고 있지만, 강도와 같은 일부 특성은 기계 가공에 어려움을 줍니다.
갈증과 잇몸 염증
순수 티타늄은 탄성계수가 낮지만 강도는 높습니다. 이러한 대조적인 특성으로 인해 가공 중에 끈적끈적한 소재로 변합니다. 이로 인해 칩 형성이 불량해지고 갈링 가능성이 높아집니다.
열 축적
티타늄은 열의 전도도가 낮아 절삭날과 작업물 인터페이스에 열이 축적되는데, 특히 가공 속도가 높을 때 그렇습니다. 이러한 열 축적은 공구와 작업물 모두의 마모를 가속화합니다.
탄성변형
낮은 탄성 계수는 또한 재료 변형을 초래합니다. 지지되지 않은 섹션은 가공 중에 변형될 수 있어, 특히 얇은 부품이 관련된 경우 치수 정확도를 유지하는 것이 어렵습니다.
게다가 변형 후에는 원래 상태로 되돌아오는 경향이 있어 올바른 공차를 달성하는 데 더욱 어려움을 겪을 수 있습니다.
높은 절삭력
티타늄 합금은 결정 구조와 고유한 경도로 인해 높은 절삭력이 필요하며, 이로 인해 가공이 어려워지고 공구 마모가 심해지고 절삭 과정에서 에너지 소비가 증가합니다.
작업 경화
티타늄은 가공 중에 경화되는 경향이 있습니다. 즉, 재료 표면은 매번 절단할 때마다 점점 더 단단해집니다. 이로 인해 후속 절단이 더 어려워지고 도구 마모가 증가합니다.
가공을 위한 최고의 티타늄 등급
알려진 티타늄 등급은 약 50가지가 있지만 ASTM에서는 그 중 31가지를 인정합니다. 티타늄 합금은 특성과 구성에 따라 알파 합금, 베타 합금, 알파-베타 합금의 세 가지 주요 유형으로 분류됩니다.
알파 티타늄 합금
알파 티타늄은 안정화를 위해 소량의 알루미늄 이나 철이 첨가된 순수 티타늄 합금입니다. 고온 안정성, 내식성 및 내구성이 뛰어납니다. 다른 티타늄 종류만큼 연성이 좋지는 않지만 가볍고 성형성이 우수합니다. 티타늄 1~4등급이 이 범주에 속합니다.
- 티타늄 1등급 우수한 가공성과 성형성으로 인해 일반적으로 사용됩니다. 모든 티타늄 등급 중에서 가장 부드럽고 연성이 뛰어납니다. 그러나 다른 등급에 비해 강도가 낮아 더 까다로운 구조적 응용 분야에서 사용이 제한됩니다.
- 티타늄 2등급, 티타늄의 "일꾼"이라고도 불리는 이 제품은 높은 내식성, 강도, 성형성, 용접성의 균형을 제공합니다. 비용 효율적이어서 용접 및 양극산화에 유리한 선택입니다.
| 필터 등급 | 조성 | 최고의 인장 강도 (MPa) | 로크웰 경도 | 어플리케이션 |
| 티타늄 1등급 | 99% 티타늄 0.2% 철 0.18% 오 N, C, H(미량) | 240 | B32 | 도금, 파이핑 |
| 티타늄 2등급 | 99% 티타늄 0.3% 철 0.25% 오 N, C, H(미량) | 345 | B55 | 양극산화, 용접, 라이닝 소재 |
베타 티타늄 합금
베타 티타늄 합금은 바나듐, 팔라듐 또는 몰리브덴과 같은 원소로 안정화됩니다. 강도 면에서는 알파 합금과 비슷하지만 더 연성이 있고 강해서 복잡한 성형에 더 좋습니다.
티타늄 그레이드 11은 이 범주에서 인기 있는 합금입니다. 특히 산성 환경에서 그레이드 1 및 2와 유사하게 우수한 내식성을 제공합니다.
| 필터 등급 | 조성 | 최고의 인장 강도 (MPa) | 로크웰 경도 | 어플리케이션 |
| 티타늄 11등급 | 99.75% 티타늄 0.25% 팔라듐 | 240 | B32 | 화학 처리, 용접, 펌프, H.Es |
알파-베타 티타늄 합금
이 합금은 알파와 베타 유형의 특성을 모두 공유합니다. 강도, 연성, 내식성 및 고온 안정성이 균형 있게 혼합되어 있습니다.
티타늄 5등급은 가장 널리 사용되는 티타늄 합금으로, 전 세계에서 사용되는 티타늄의 약 절반을 차지합니다 . 열처리를 통해 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
티타늄 그레이드 9는 또 다른 균형 잡힌 티타늄 합금입니다. 그레이드 5보다 가공하기 쉽기 때문에 특정 CNC 가공 응용 분야에서 선호되는 선택입니다.
| 필터 등급 | 조성 | 최고의 인장 강도 (MPa) | 로크웰 경도 | 어플리케이션 |
| 티타늄 5등급 | 88-90% Ti 5.5-6.75% 알루미늄 3.5~4.5% 전압 | 950 | C30 | 항공우주 부품, 의료용 임플란트, 3D 프린팅 |
| 티타늄 9등급 | 94.5% 티타늄 3% 알루미늄 2.5%V | 900 | B90 | 해양 및 항공우주 부품 |
티타늄 CNC 가공 시 고려 사항
이러한 과제를 염두에 두고, 다음 몇 가지 고려 사항과 팁은 마그네슘 가공에서 원하는 결과를 얻는 데 도움이 될 수 있습니다.
올바른 등급 선택
티타늄은 비싸고, 잘못된 등급을 선택하면 프로젝트 가격이 빠르게 상승할 수 있습니다. 따라서 현명하게 선택해야 합니다. 예를 들어, 프로젝트에 상당한 재료 제거가 필요한 경우, 가공성이 더 높은 등급 2 티타늄이 더 나은 선택입니다. 반면, 극한 온도에서 높은 강도가 필요한 경우 등급 5 티타늄이 더 적합합니다.
설계 권장 사항
티타늄은 여러 제품 응용 분야에 적합하지만, 여전히 해당 치수를 가공하는 것이 가능한지 검증해야 합니다. 예를 들어, 티타늄 부품에 대해 달성 가능한 최소 벽 두께는 일반적으로 0.5mm에서 0.8mm 사이입니다.
언더컷, 정사각형 프로파일, 전체 반경 프로파일, 도브테일 프로파일과 같은 가공 피처를 만들 수 있지만 깊이에 대해 신중하게 고려해야 합니다. 예를 들어, 구멍 깊이는 드릴 비트 직경의 12배를 초과해서는 안 되고, 엔드밀의 경우 깊이는 공구 직경의 10배를 초과해서는 안 됩니다.
절단 도구
티타늄 가공에는 견고성과 탄력성 때문에 전용 도구가 필요합니다. 표준 도구는 효과적이지 않습니다. 물리적 기상 증착(PVD) 코팅이 된 카바이드 팁 도구가 강력히 권장됩니다. 요즘에는 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 코팅이 된 도구가 사용 가능하며, 더욱 효과적입니다.
티타늄을 절단할 때는 날카로운 도구가 필수적입니다. 티타늄의 탄성 때문에 둔한 도구가 절단하기보다는 문질러서 덜거덕거리는 소리가 날 수 있기 때문입니다.
CNC 밀링의 경우 엔드밀의 플루트 수를 염두에 두십시오. 진동을 줄이고 전체 가공 프로세스를 개선하기 위해 플루트가 더 많은 도구를 사용하십시오. 예를 들어, 10플루트 엔드밀은 티타늄 밀링에 효과적입니다. 고이송 밀은 또 다른 옵션이며, 특히 축 방향 및 방사형 절단을 처리할 때 유용합니다.
절삭 속도 및 이송 속도
티타늄은 절단할 때 단단해지는 경향이 있어 공구에 더 많은 연마제가 됩니다. 따라서 일정한 이송 속도가 권장됩니다. 기계에서 허용하는 경우 이송 속도를 높이면 공구가 한 영역에서 보내는 시간을 최소화하여 열 축적을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
마무리 작업의 경우, 최소한의 도구 접촉으로 매우 가벼운 절단을 사용하지만, 이렇게 하면 열을 발산하기 더 어려울 수 있다는 점을 알아두십시오. 따라서 항상 고압 냉각 시스템을 갖추어야 합니다.
어떤 경우에는 대체 절삭 전략으로 반경 방향 결합을 줄이는 동시에 절삭의 축 방향 깊이를 늘리는 것이 있습니다. 이를 통해 절삭 효율을 개선하고 가공 온도를 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.
재료 고정
탄성 특성은 소재의 신중한 클램핑을 요구합니다. 견고한 설정과 고품질 툴링 배열을 갖춘 CNC 기계를 사용하십시오. 또한 짧은 절삭 공구를 사용하여 공구 처짐을 최소화하고 절삭 공정 중 안정성을 개선할 수도 있습니다.
티타늄 후가공을 위한 마무리 기술
티타늄은 가공 후 원하는 모양과 느낌을 얻기 위해 다음과 같은 마무리 작업을 거칠 수 있습니다.
- 아노다이징 처리: 내식성을 강화하고 재료의 착색을 허용하는 전기화학적 공정입니다. 티타늄의 산화물 층의 두께를 증가시켜 이를 수행합니다.
- 패시베이션: 표면 오염물질을 제거하여 산화물 층을 부식되지 않게 유지하는 화학적 처리입니다.
- 분말 코팅: 분말(보통 폴리머)을 티타늄 표면에 도포하고 구워서 내구성과 부식 방지 코팅을 만듭니다.
- 표면 경화: 금속의 표면을 단단하게 하면서 내부 코어를 더 부드럽고 연성 있게 유지하는 열처리 공정입니다. 이는 탄화 또는 질화를 통해 표면에 탄소나 질소를 도입하여 수행됩니다.
- 비드 블라스팅: 미세한 연마 입자를 사용하여 티타늄 표면을 세척하고 매끈하게 다듬어 균일하고 무광택 마감을 만드는 표면 마감 기술입니다.
CNC 가공 티타늄 부품의 응용 분야
티타늄은 독특한 특성의 조합으로 인해 다양한 산업에서 선호되는 소재가 되었습니다.
의료 산업
티타늄은 생체 적합성이 뛰어나 인공 관절 이나 치과 임플란트처럼 인체 조직과 공존하면서 거부 반응을 일으키지 않아야 하는 임플란트에 이상적입니다 .
우주항공
이 소재의 높은 강도 대 무게 비율은 항공우주 분야 에서 매우 중요한데 , 항공기 엔진과 체결 부품은 연료 효율을 높이기 위해 전체적인 무게 감소에 기여하면서 극한의 스트레스를 견뎌야 하기 때문입니다.
군사 응용
내식성과 강도가 뛰어나 군사 분야, 특히 장갑차 및 해군 함정 부품에 핵심 소재로 사용됩니다. 혹독한 환경을 견딜 수 있는 능력은 중요 작전에서의 신뢰성을 더욱 보장합니다.
해양 산업
해양 분야는 티타늄의 염수 부식 저항성 덕분에 많은 이점을 얻습니다. 티타늄은 가혹한 환경에 지속적으로 노출되는 프로펠러 샤프트 , 선체 부품 및 수중 연결 장치 제작에 이상적입니다.
화학 처리
대부분의 티타늄 합금은 내식성이 뛰어나 부식성이 강한 화학 환경에서도 쉽게 견딜 수 있습니다. 따라서 안정성과 강도가 필수적인 저장 탱크 및 열교환기와 같은 화학 처리 장비에 적합합니다.
전력 및 에너지
발전 분야에서 티타늄은 고온 및 내식성이 요구되는 터빈 블레이드 및 기타 부품에 사용됩니다.
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