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티타늄

Titanium
이 기사는 화학 원소에 관한 것이다.기타 용도는 티타늄(동음이의)을 참조하십시오.
티타늄, Ti
Titan-crystal bar.JPG
티타늄
발음
외관은회백색의 금속.
표준 원자량Ar, std(Ti)47.867(1)[2]
주기율표의 티타늄
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손
–
↑
티
↓
Zr
스칸듐 ← 티타늄 → 바나듐
원자번호 (Z)22
그룹그룹 4
마침표.4주기
블록 d-블록
전자 구성[Ar] 3d2 4s2
셸당 전자2, 8, 10, 2
물리적 성질
위상 STP서실체가 있는
녹는점1941 K(1668°C, 3034°F)
비등점3560K(3287°C, 5949°F)
밀도 (근처 )4.506 g/cm3
액체가 있을 때 ( )4.11 g/cm3
융해열14.15 kJ/mol
기화열425 kJ/mol
어금니열용량25.060 J/(몰·K)
증기압
P (Pa) 1 10 100 1k 10k 100k
(K)에서 1982 2171 (2403) 2692 3064 3558
원자성
산화 상태-2, -1, 0,[3] +1, +2, +3, +4[4](암포테릭 산화물)
전기성폴링 척도: 1.54
이온화 에너지
  • 1차: 658.8 kJ/mol
  • 2위: 1309.8 kJ/mol
  • 3위: 2652.5kJ/mol
  • (더)
원자 반지름체험: 오후 147시
공동 반지름오후 160±8시
Color lines in a spectral range
티타늄의 스펙트럼 라인
기타 속성
자연발생원시적인
결정구조 육각형 근위축(hcp)
Hexagonal close packed crystal structure for titanium
음속 얇은 막대기5090m/s ( )
열팽창8.6µm/(m³K)(25°C)
열전도도21.9 W/(m³K)
전기저항도420 NΩ⋅m(20°C)
자기순서파라자성의
어금니 자기 감수성+153.0×10cm−63/mol(293K)[5]
영의 계량116 GPA
전단 계수44 GPA
벌크 계량110 GPA
포아송 비율0.32
모스 경도6.0
비커즈 경도MPa 830–3420
브리넬 경도MPa 716-2770
CAS 번호7440-32-6
역사
디스커버리윌리엄 그레고르(1791)
제1격리듬욘스 야콥 베르젤리우스(1825)
이름:마르틴 하인리히 클라프로스(1795)
티타늄 주 동위 원소
이소슈토페 아부네댄스 하프라이프 (t1/2) 붕괴 모드 프로덕트
44티 동음이의 63 y ε 44sc
γ –
46티 8.25% 안정적
47티 7.44% 안정적
48티 73.72% 안정적
49티 5.41% 안정적
50티 5.18% 안정적
범주:티타늄
참고 문헌

티타늄은 Ti 기호와 원자 번호 22를 가진 화학 원소다.은색, 저밀도, 고강도의 윤기 있는 전이 금속으로 바닷물, 아쿠아 리지아, 염소 등의 부식에 내성이 있다.

티타늄은 1791년 윌리엄 그레고르에 의해 영국의 콘월에서 발견되었으며, 그리스 신화의 티탄 족의 이름을 따서 마틴 하인리히 클랩롯에 의해 명명되었다.이 원소는 지구의 지각과 암석권에 널리 분포되어 있는, 주로 발정성과 일메나이트인 다수의 광물 퇴적물 안에서 발생한다; 그것은 물, 바위, 토양의 몸뿐만 아니라 거의 모든 생물에서 발견된다.[6]그 금속은 크롤과[7] 헌터 공정에 의해 주요 광물 광석에서 추출된다.가장 흔한 화합물인 이산화티타늄은 대중적인 광촉매로 백색소 제조에 사용된다.[8]기타 화합물로는 연막과 촉매의 성분인 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4)와 폴리프로필렌 생산의 촉매로 사용되는 티타늄 트리클로라이드(TiCl3) 등이 있다.[6]

티타늄은 철, 알루미늄, 바나듐, 몰리브덴과 합금할 수 있으며, 그 중에서도 항공우주(제트엔진, 미사일 및 우주선), 군사, 산업 공정(화학 및 석유화학, 담수화 공장, 펄프 및 종이), 자동차, 농업(농장), 의료용 보형물, 정형외과 등을 위한 강력하고 경량 합금을 생산할 수 있다.dic 임플란트, 치과 및 내복 기구 및 파일, 치과 임플란트, 스포츠 용품, 보석, 휴대폰 및 기타 애플리케이션.[6]

금속의 가장 유용한 두 가지 특성은 내식성과 강도-밀도비로서 금속 원소 중 가장 높다.[9]티타늄은 알로이드가 없는 상태에서 일부 강철처럼 강하지만 밀도가 떨어진다.[10]이 원소의 동위 원소에는 2개의 동위 원소와[11] 5개의 자연발생 동위 원소가 있으며, Ti가 가장 풍부(73.8%)하다.[12]

특성.

물리적 성질

금속으로서 티타늄은 강도 대 무게 비율이 높은 것으로 인정받고 있다.[11]그것은 (특히 산소가 없는 환경에서는) 상당히 연성이며,[6] 윤기 있고, 색상이 금속처럼 희고, 밀도가 낮은 강한 금속이다.[13]비교적 높은 용해점(1,668 °C 또는 3,034 °F)으로 내화 금속으로서 유용하다.파라마그네틱으로 다른 금속들에 비해 전기와 열전도율이 상당히 낮다.[6]티타늄은 임계온도 0.49K 이하로 냉각하면 초전도성을 띤다.[14][15]

상용순수(순수 99.2%) 등급의 티타늄은 약 434MPa(63,000psi)의 인장강도가 일반 저급 강철합금 등급과 같으나 밀도가 낮다.티타늄은 알루미늄보다 60% 밀도가 높지만 가장 일반적으로 사용되는 6061-T6 알루미늄 합금에 비해 두 배 이상 강하다[10].특정 티타늄 합금(예: 베타 C)은 1,400 MPa(200,000 psi) 이상의 인장 강도를 달성한다.[16]그러나 티타늄은 430°C(806°F) 이상으로 가열하면 강도가 떨어진다.[17]

티타늄은 열처리된 강철의 일부 등급만큼 단단하지 않다. 티타늄은 비자기적이며 열과 전기의 전도체도 불량하다.날카로운 공구와 적절한 냉각 방법을 사용하지 않는 한 재료가 갈릴 수 있으므로 가공에는 주의가 필요하다.강철 구조물과 마찬가지로, 티타늄으로 만들어진 구조물은 일부 용도에서 수명을 보장하는 피로 한계를 가지고 있다.[13]

금속은 882°C(1,620°F)에서 체 중심 입방체(라티스) β 형태로 변하는 육각형 α 형태의 이형분할로프다.[17]α 형태의 특정 열은 이 전환 온도로 가열될 때 극적으로 증가하지만 그 후 하강하여 온도에 관계없이 β 형태의 경우 상당히 일정하게 유지된다.[17]

화학적 특성

순수수, 과염소산 또는 수산화나트륨의[18] 티타늄에 대한 붓바익스 다이어그램

알루미늄과 마그네슘처럼 티타늄 금속의 표면과 그 합금은 공기에 노출되면 즉시 산화하여 추가적인 산화나 부식으로부터 벌크 금속을 보호하는 얇은 비거시 통과층을 형성한다.[6]처음 형성될 때 이 보호층은 두께가 1~2nm에 불과하지만 4년 만에 두께가 25nm에 달할 정도로 계속 느리게 성장한다.[19]이 층은 티타늄이 백금과 거의 동등한 부식에 대한 뛰어난 내성을 부여한다.

티타늄은 희석된 황산과 염산, 염화 용액, 그리고 대부분의 유기산에 의한 공격을 견딜 수 있다.[7]그러나 티타늄은 농축산에 의해 부식된다.[20]음의 리독스 전위성으로 알 수 있듯이 티타늄은 열역학적으로 매우 반응성이 높은 금속으로 용해 지점보다 낮은 온도에서 정상적인 대기에서 연소한다.용해는 불활성 대기나 진공 상태에서만 가능하다.550 °C (1,022 °F)에서는 염소와 결합한다.[7]또한 다른 할로겐과 반응하여 수소를 흡수한다.[8]

티타늄은 공기 중 1,200 °C(2,190 °F), 순수 산소 중 610 °C(1,130 °F)에서 산소와 쉽게 반응하여 이산화티타늄을 형성한다.[11]티타늄은 순수 질소 가스에 연소하는 몇 안 되는 원소 중 하나로 800℃(1,470℃)에서 반응해 질화 티타늄을 형성해 부서지기 쉽다.[21]산소, 질소 및 기타 많은 기체와의 반응성이 높기 때문에 필라멘트로부터 증발되는 티타늄은 티타늄 승화 펌프의 기초가 되는데, 티타늄은 티타늄과 화학적으로 결합하여 이 기체들을 파괴하는 역할을 한다.그러한 펌프는 초고진공 시스템에서 매우 낮은 압력을 저렴하게 생성한다.

발생

티타늄은 지각에서 9번째로 풍부한 원소(질량 기준 0.63%)[22]와 7번째로 풍부한 금속이다.그것은 대부분의 화성암, 그것으로부터 파생된 퇴적물, 생물, 그리고 물의 자연체에서 산화물로서 존재한다.[6][7]미국 지질조사국이 분석한 801종의 화성암 중 784종이 티타늄을 함유하고 있었다.토양에서 그것의 비율은 대략 0.5에서 1.5%이다.[22]

일반적인 티타늄 함유 미네랄은 아나타아제, 브루카이트, 일메나이트, 페로브스카이트, 루틸레, 티타나이트(스페인) 등이다.[19]아카오기이트는 이산화티타늄으로 구성된 매우 희귀한 광물이다.이러한 광물 중 루틸레와 일메나이트만이 경제적 중요성이 있지만, 그것조차 고농도로는 찾기 어렵다.2011년에 각각 약 6.0톤과 170만톤의 광물이 채굴되었다.[23]티타늄을 함유한 일메나이트 퇴적물은 호주 서부, 캐나다, 중국, 인도, 모잠비크, 뉴질랜드, 노르웨이, 시에라리온, 남아프리카, 우크라이나에 존재한다.[19]2020년에는 약 21만 톤의 티타늄 금속 스펀지가 생산되었는데, 주로 중국(11만 t), 일본(5만 t), 러시아(3만 3천 t), 카자흐스탄(1만 5천 t)에서 생산되었다.아나타아제, 일메나이트, 루틸레 등의 총 매장량은 20억 톤을 넘을 것으로 추정된다.[23]

2017년 티타늄 광물 및 슬래그[23] 생산
나라 천 개
톤스		 전체의 %
중국 3,830 33.1
호주. 1,513 13.1
모잠비크 1,070 9.3
캐나다 1,030 8.9
남아프리카 공화국 743 6.4
케냐 562 4.9
인도 510 4.4
세네갈 502 4.3
우크라이나 492 4.3
월드 11,563 100

티타늄의 농도는 바다 속 약 4피코몰라다.100 °C에서 물 속 티타늄 농도는 pH 7에서 10−7 M 미만으로 추정된다.수용액에 함유된 티타늄 종의 정체성은 4+의 산화 상태만이 공기에서는 안정적이지만 용해도가 낮고 민감한 분광법이 없기 때문에 미지의 상태로 남아 있다.희귀 유기체가 고농도의 티타늄을 축적하는 것으로 알려져 있지만 생물학적 역할에 대한 증거는 존재하지 않는다.[24]

티타늄은 운석에 포함되어 있으며, 표면 온도가 3,200 °C(5,790 °F)인 태양과 M형 항성[7](가장 시원한 타입)에서 검출되었다.[25]아폴로 17호 임무 중 달에서 가져온 암석은 12.1% TiO로2 구성된다.[7]네이티브 티타늄(순수 금속)은 매우 희귀하다.[26]

동위 원소

주요 기사:티타늄 동위 원소

자연적으로 발생하는 티타늄은 다음과 같은 5개의 안정 동위원소로 구성된다.46Ti, Ti, Ti, Ti, Ti가 가장 풍부하며(자연적 풍요 73.8%)최소 21개의 방사성 동위원소가 특징지어졌는데, 그 중 가장 안정된 것은 반감기가 63세인 Ti, 184.8분, Ti, 5.76분, Ti, 1.7분이다.다른 모든 방사성 동위원소는 반감기가 33초 미만이며 대다수가 0.5초 미만이다.[12]

원자 중량의 티타늄 동위 원소는 39.002 u(39Ti)에서 63.999 u(64Ti)까지 다양하다.[27]Ti보다 가벼운 동위원소의 1차 붕괴모드는 양전자 방출(전자 포획을 겪는 Ti 제외)으로 스칸듐 동위원소로 이어지고, Ti보다 무거운 동위원소의 1차 붕괴모드는 베타 방출로 바나듐 동위원소로 이어진다.[12]

티타늄은 중수소 폭격을 받으면 방사능이 되며, 주로 양전자와 단단한 감마선을 방출한다.[7]

화합물

티타늄 화합물 및 티타늄 광물 범주도 참조하십시오.
A steel colored twist drill bit with the spiral groove colored in a golden shade.
TiN 코팅 드릴 비트

+4 산화 상태가 티타늄 화학에 지배하지만 +3 산화 상태의 화합물도 많다.[28][29]일반적으로 티타늄은 복합체에서 팔면 조정 기하학을 채택하지만 [30][31]사면체 TiCl은4 주목할 만한 예외다.산화 상태가 높기 때문에 티타늄(IV) 화합물은 높은 수준의 공동 결합을 나타낸다.[28]

산화물, 황화물, 알코산화물

가장 중요한 산화물은 TiO로2, 아나타제, 브루카이트, 루틸레 세 가지 중요한 다형체로 존재한다.광물 샘플은 어둡게 보일 수 있지만(루틸레 참조) 세 가지 모두 흰색 직경 고형분이다.그들은 Ti가 다른 Ti 센터와 연결되는 6개의 산화물로 둘러싸인 고분자 구조를 채택한다.[32]

titanates라는 용어는 보통 티타늄을 가리킨다.IV) 티탄산바륨(BaTiO3)으로 표시된 화합물.페로브스카이트 구조로 피에조 전기적 특성을 보이는 이 물질은 음과 전기의 상호 변환에 변환기로 사용된다.[11]많은 미네랄은 일메나이트(FeTiO3)와 같은 타이탄산이다.별 사파이어와 루비는 이산화티타늄 불순물이 있는 데서 별자리(별 모양 광택)를 얻는다.[19]

티타늄의 산화물(소산화물)이 다양하게 알려져 있으며, 주로 대기 중 플라즈마 분무로 얻은 이산화티타늄의 스토이히메트리를 감소시킨다.Ti3O5, Ti(IV)-Ti(3세)의 종으로 묘사된 보라 색 반도체 TiO2의 높은 temperatures,[33]에 수소들이 축소에 의해 생산되고 표면 티타늄 탄소로 가득차vapor-coated 필요가 있었으며 사용됩니다. 반면에 TiO2 산화물과 예금 코팅의 가변 굴절 i.과의 혼합물로 증발한 TiO로, 증발ndex.[34]흔히 비스토리히메트릭(nonstoichychometric)이 아니지만, 코룬덤 구조를 가진 TiO와23 암염 구조를 가진 TiO도 알려져 있다.[35]

티클을4 알코올로 처리해 제조한 티타늄(IV)의 알코시드는 물과 반응하면 이산화물로 전환되는 무색 화합물이다.그것들은 솔겔 과정을 통해 견고한 TiO를2 입금하는 데 산업적으로 유용하다.이소프로산화티타늄은 샤를리스 에폭시드를 통해 치랄 유기화합물을 합성하는 데 사용된다.[36]

티타늄은 다양한 황화물을 형성하고 있지만 TiS만이2 상당한 관심을 끌었다.레이어드 구조를 채택해 리튬전지 개발의 음극으로 활용됐다.Ti(IV)는 '하드 양이온'이기 때문에 티타늄의 황화물이 불안정하고 황화수소가 방출되면서 산화물에 가수 분해되는 경향이 있다.[37]

질화물 및 탄화물

질화티타늄(TiN)은 극도의 경도, 열/전기 전도성, 높은 용해점을 나타내는 내화성 고체다.[38]TiN은 사파이어와 카르보룬덤(Mohs 눈금 9.0)에 상당하는 경도를 가지고 있으며 드릴 [39]비트와 같은 절삭공구를 코팅하는 데 자주 사용된다.[40]또한 금색 장식 마감재와 반도체 제작의 장벽층으로도 사용된다.[41]또한 매우 단단한 티타늄 카바이드(TiC)는 절삭공구와 코팅에서 발견된다.[42]

할리데스

티타늄(III) 화합물은 특징적으로 보라색이며, 이 티타늄 트리클로라이드의 수용액에 의해 설명된다.

테트라클로라이드 티타늄(titanium()IV) 염화물, TiCl4[43])은 무색의 휘발성 액체(상업용 샘플은 황색)로 공기 중에서는 백운(白雲)의 눈부신 배출과 함께 가수분해된다.크롤 공정을 통해 티타늄 광석을 티타늄 금속으로 변환하는 데 TiCl이4 사용된다.테트라클로라이드 티타늄은 흰색 페인트에 사용되는 등 이산화티타늄을 만드는 데도 사용된다.[44]예를 들면 무카이야마 알돌 응결에서와 같이 루이스 산으로서 유기화학에 널리 쓰인다.[45]판 아르켈-데 보어 공정에서 티타늄 테트라오다이오드(TiI4)는 고순도 티타늄 금속 생산에서 생성된다.[46]

티타늄(III) 및 티타늄()II) 또한 안정적인 염소산염을 형성한다.대표적인 예가 폴리오레핀(지글러-나타 촉매 참조)의 생산촉매와 유기화학에서의 환원제로 쓰이는 티타늄(III) 염화물(TiCl3)이다.[47]

유기농 복합체

주요 기사:오르가니타늄 화학

중합 촉매로서의 티타늄 화합물의 중요한 역할 때문에, Ti-C 결합을 가진 화합물이 집중적으로 연구되어 왔다.가장 흔한 오르가노타늄 복합체는 티타노세 디클로로이드(CH55)2TiCl이다2.관련 화합물로는 테베의 시약과 페타시스 시약이 있다.티타늄은 카보닐 복합체를 형성한다(예: (CH55)2Ti(CO)).2[48]

항암 치료 연구

백금성 화학요법의 성공에 이어 티타늄()IV) 복합체는 암 치료를 위해 검사된 최초의 비플라티넘 화합물 중 하나이다.티타늄 화합물의 장점은 높은 효능과 낮은 체내 독성에 있다.[49]생물학적 환경에서는 가수분해가 이산화티타늄을 안전하고 불활성화시킨다.이러한 장점에도 불구하고 첫 번째 후보 화합물은 독성 비율과 제형 합병증에 대한 불충분한 유효성 때문에 임상 시험에 실패했다.[49]추가 개발은 잠재적으로 효과적이고 선택적이며 안정적인 티타늄 기반의 약품을 만드는 결과를 낳았다.[49]

역사

Engraved profile image of a mid-age male with high forehead. The person is wearing a coat and a neckerchief.
마틴 하인리히 클라프로스는 그리스 신화의 티탄 족을 위해 티타늄을 명명했다.

티타늄은 1791년 성직자와 아마추어 지질학자 윌리엄 그레고르에 의해 영국 콘월에서 광물의 함유로 발견되었다.[50]그레고르는 개울가에 있는 검은 모래를 발견하고 모래가 자석에 끌리는 것을 알아차렸을 때 일메나이트에[8] 새로운 원소의 존재를 인식했다.[50]그는 모래를 분석해 산화철(자석에 대한 흡인력 설명)과 식별할 수 없는 흰색 금속 산화물의 45.25% 등 두 가지 금속 산화물의 존재를 파악했다.[22]정체불명의 산화물이 어떤 알려진 원소와도 일치하지 않는 금속을 포함하고 있다는 것을 깨달은 그레고르는 콘월 왕립 지질학회와 독일 과학 저널 크렐의 안날렌에 자신의 연구 결과를 보고했다.[50][51][52]

비슷한 시기에 프란츠-조제프 뮐러 폰 레이첸슈타인도 비슷한 물질을 생산했지만 식별할 수 없었다.[8]산화물은 1795년 프로이센 화학자 마르틴 하인리히 클라프로스에 의해 헝가리(현 슬로바키아의 보즈니치키)의 마을인 보이니크(Bajmoccka의 독일 이름)에서 루틸레로 재발견되었다.[50][53]클랩롯은 그것이 새로운 원소를 포함하고 있다는 것을 발견했고 그리스 신화의 티탄인들을 위해 그것을 명명했다.[25]그레고르의 앞선 발견 소식을 들은 그는 마나카나이트 샘플을 입수해 티타늄이 함유된 것을 확인했다.[54]

현재 티타늄을 다양한 광석에서 추출하는 공정은 고된 작업과 비용이 많이 든다; 티타늄이 탄소와 결합하여 티타늄 카바이드 생산을 하기 때문에 (철 제련과 마찬가지로) 탄소배열로 광석을 줄이는 것은 불가능하다.[50]순수 금속 티타늄(99.9%)은 1910년 매튜 A가 처음 마련했다. 헌터 앳 렝셀라이어 폴리테크닉 연구소는 헌터 공정이라고 알려진 일괄 공정에서 큰 압력을[55] 받아 TiCl을4 700–800 °C에서 가열했다.[7]티타늄 금속은 윌리엄 저스틴 크롤이 칼슘으로 테트라클로로이드(TiCl4)를 줄여 생산한 1932년까지 실험실 밖에서 사용되지 않았다.[56]8년 후 그는 이 과정을 마그네슘과 크롤 과정으로 알려지게 된 나트륨으로 다듬었다.[56]FFC 케임브리지 공정과 같이 연구에서는 더 저렴하고 더 효율적인 노선을 계속 모색하고 있지만, 크롤 공정은 여전히 상업적 생산에 주로 사용되고 있다.[7][8]

크롤 공정에 의해 만들어진 티타늄 스펀지

순도가 매우 높은 티타늄은 1925년 안톤 에두아르 반 아르켈과 얀 헨드리크 드 보어가 요오드와 반응하여 형성된 증기를 순수한 금속으로 분해함으로써 요오드화 과정을 발견했을 때 소량으로 만들어졌다.[57]

1950년대와 1960년대에 소련은 냉전 관련 프로그램의 일환으로 군사 및 잠수함 어플리케이션[55](알파급, 마이크급)[58]에 티타늄 사용을 선도했다.[59]1950년대 초반부터 F-100 슈퍼 사브르, 록히드 A-12, SR-71 등의 항공기를 시작으로 군용 항공, 특히 고성능 제트기에 티타늄이 광범위하게 사용되기 시작했다.[60]

냉전 기간 내내 티타늄은 미국 정부의 전략 재료로 여겨졌고, 2000년대 들어 비축량이 분산될 때까지 국방 국가 비축 센터(Defore National Submissile Center)가 티타늄 스펀지(순수 금속의 다공성 형태)를 대량 비축했다.[61]2021년 기준 티타늄 스펀지의 4대 생산국은 중국(52%), 일본(24%), 러시아(16%), 카자흐스탄(7%)[23]이었다.

생산

주요 기사: 크롤 프로세스 및 헌터 프로세스
참고 항목: 반 아르켈-데 보어 프로세스 및 FFC 케임브리지 프로세스
A small heap of uniform black grains smaller than 1mm diameter.
티타늄(미네랄 농축액)
기본 티타늄 제품: 플레이트, 튜브, 로드, 파우더

티타늄 금속의 가공은 4가지 주요 단계로 발생한다: 티타늄 광석을 다공성 형태인 "스폰지"로 감소시키는 것, 또는 스펀지와 잉곳 형성을 위한 마스터 합금의 용해, 잉곳(billlet, bar, plate, sheet, strip, tube)과 같은 일반 제분자로 변환되는 1차 제조; 완성된 2차 제조.방앗간에서 [62]나온 모양

이산화티타늄을 줄여서 쉽게 생산할 수 없기 때문에 크롤 공정에서 마그네슘 금속으로 TiCl을4 줄여서 티타늄 금속을 얻는다.[13]크롤 공정에서 이 일괄 생산의 복잡성은 크롤 공정이 헌터 공정보다 덜 비싸지만, 상대적으로 높은 시장 가치를 설명한다.[63][55]Kroll 공정에서 요구하는 TiCl을4 생산하기 위해, 이산화물은 염소가 존재하는 곳에서 탄수화물을 감소시킨다.이 과정에서 염소 가스는 탄소가 존재하는 곳에서 루틸레나 일메나이트의 붉은 열 혼합물 위를 통과한다.부분 증류에 의한 광범위한 정화 후 TiCl은4 아르곤 대기에서 800 °C (1,470 °F) 용융 마그네슘으로 감소한다.[11]티타늄 금속은 티타늄 테트라오디드의 열분해를 수반하는 반 아르켈-데 보어 공정에 의해 더욱 정제될 수 있다.

2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C → 2TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO (900 °C)
TiCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Ti (1,100 °C)

보다 최근에 개발된 일괄 생산 방식인 FFC 케임브리지 공정은 녹은 염화칼슘에서 이산화티타늄을 전기 화학적으로 감소시켜 가루나 스펀지로 티타늄 금속을 생산한다.[64][65]

일반적인 티타늄 합금은 감소에 의해 만들어진다.예를 들어 큐프로티타늄(구리 첨가 루타늄), 페로카본 티타늄(전기로에서 코크스로 환원되는 일메나이트), 망간 또는 망간산화물이 첨가된 루타늄(루타일) 등이 감소한다.[66]

약 50등급의 티타늄 합금이 설계되어 현재 사용되고 있지만, 상업적으로 쉽게 구할 수 있는 것은 몇 십 개에 불과하다.[67]ASTM 인터내셔널은 31등급의 티타늄 금속과 합금을 인정하는데, 이 중 1~4등급은 상업적으로 순수하다(할로이드가 없다).이 4개의 인장 강도는 산소 함수의 함수로서 다양하며, 1등급은 가장 연성이 높고(산소 함량이 0.18%인 가장 낮은 인장 강도), 4등급은 최소 연성(산소 함량이 0.40%[19]인 가장 높은 인장 강도)이다.나머지 등급은 합금이며, 각각 연성, 강도, 경도, 전기 저항성, 크리프 저항성, 특정 부식 저항성 및 이들의 조합의 특정 성질을 위해 설계된다.[68]

ASTM 규격 외에도 항공우주 및 군사 규격(SAE-AMS, MIL-T), ISO 규격 및 국가별 규격과 항공우주, 군사, 의료, 산업용 애플리케이션에 대한 독점적 최종 사용자 규격을 충족하기 위해 티타늄 합금도 생산된다.[69]

티타늄 분말은 암스트롱 공정으로[70] 알려진 흐름 생산 공정을 사용하여 제조되며, 이는 일괄 생산 헌터 공정과 유사하다.녹은 나트륨 스트림에 티타늄 테트라클로로이드 가스가 한줄기 더해지고, 제품(염화수소염과 티타늄 입자)은 여분의 나트륨에서 여과된다.티타늄은 물세척에 의해 소금과 분리된다.나트륨과 염소 모두 테트라클로로이드 티타늄을 더 많이 생산하고 가공하기 위해 재활용된다.[71]

제작

티타늄의 모든 용접은 아르곤이나 헬륨의 불활성 대기에서 대기 가스(산소, 질소, 수소)로 오염되지 않도록 보호해야 한다.[17]오염은 부서짐과 같은 다양한 조건을 야기하여 조립 용접부의 무결성을 감소시키고 관절 고장으로 이어진다.[72]

티타늄은 직접 납땜이 매우 어려워 땜납에 앞서 땜납 금속이나 강철과 같은 합금이 티타늄에 코팅된다.[73]티타늄 금속은 스테인리스강과 동일한 장비와 공정으로 가공할 수 있다.[17]

형성 및 단조

상업적으로 순수한 플랫 제품(시트, 플레이트)은 쉽게 형성될 수 있지만 가공은 반드시 금속의 스프링백 경향을 고려해야 한다.이것은 특히 특정 고강도 합금에 해당된다.[74][75]단조에 사용되는 높은 온도에서 공기 중의 산소에 노출되면 피로 특성을 악화시키는 "알파 케이스"라고 불리는 부서지기 쉬운 산소가 풍부한 금속 표면층이 형성되므로 밀링, 에칭 또는 전기 화학 처리를 통해 제거해야 한다.[76]

적용들

"등급 2" 품질의 티타늄 실린더

티타늄은 곡물 크기를 줄이기 위한 합금원소(페로-티타늄)와 탈산화제로, 탄소 함량을 줄이기 위한 스테인리스강 등에 사용된다.[6]티타늄은 종종 알루미늄, 바나듐, 구리, 철, 망간, 몰리브덴, 기타 금속과 합금된다.[77]티타늄 공장 제품(시트, 플레이트, 바, 와이어, 단조, 주조물)은 산업, 항공우주, 레크리에이션 및 신흥 시장에 응용할 수 있다.가루 티타늄은 화약에 밝은 불타는 입자의 원천으로 사용된다.[78]

색소, 첨가제 및 코팅제

Watch glass on a black surface with a small portion of white powder
이산화티타늄은 티타늄의 혼합물로 가장 많이 사용된다.

전체 티타늄 광석의 약 95%는 페인트, 종이, 치약, 플라스틱에 사용되는 강렬한 흰색 영구 색소인 이산화티타늄(TiO
2)으로 정제될 예정이다.[23]시멘트, 원석, 종이에 광학 입식기로도 사용되며 흑연 복합 낚싯대, 골프채에도 강화제로 사용된다.[79][80]

TiO
2 색소는 화학적으로 불활성이며 햇빛에 바래지 않으며 매우 불투명하다: 대부분의 가정용 플라스틱을 구성하는 갈색이나 회색 화학 물질에 순수하고 빛나는 흰색을 부여한다.[8]자연에서, 이 화합물은 아나타아제, 브루카이트, 루틸레에서 발견된다.[6]이산화티타늄으로 만든 페인트는 혹독한 기온과 해양환경에서 잘 어울린다.[8]순수 이산화티타늄은 다이아몬드보다 굴절률이 매우 높고 광학적 산포도가 높다.[7]이산화티타늄은 매우 중요한 색소일 뿐만 아니라 자외선 차단에도 사용된다.[13]

항공우주 및 해양

티타늄 합금은 밀도 대비 인장강도,[11] 내식성,[7] 내피로성, 균열성,[81] 내습성 등이 높고, 기르지 않고 적당한 고온을 견딜 수 있는 능력을 갖추고 있기 때문에 항공기, 갑옷 도금, 해군 함정, 우주선, 미사일 등에 사용된다.[7][8]이러한 용도를 위해, 티타늄은 알루미늄, 지르코늄, 니켈,[82] 바나듐 및 기타 요소와 합금되어 중요한 구조 부품, 방화벽, 착륙 기어, 배기 덕트(헬리콥터), 유압 시스템을 포함한 다양한 구성품을 제조한다.실제로 생산된 전체 티타늄 금속의 약 3분의 2가 항공기 엔진과 프레임에 사용된다.[83]티타늄 6AL-4V 합금은 항공기 적용에 사용되는 모든 합금의 거의 50%를 차지한다.[84]

록히드 A-12와 그것의 개발 SR-71 "블랙버드"는 티타늄이 사용된 최초의 항공기 프레임 중 두 개로서, 현대의 군용 및 상업용 항공기에서 훨씬 더 광범위하게 사용할 수 있는 길을 열었다.보잉 787에는 116톤, 에어버스 A380에는 77톤, 보잉 777에는 59톤, 보잉 747에는 45톤, 보잉 737에는 18톤, 에어버스 A340에는 32톤, 에어버스 A330에는 18톤, 에어버스 A320에는 12톤이 사용되고 있다.[85]에어로 엔진 용도에서는 로터, 컴프레서 블레이드, 유압 시스템 구성 요소 및 나셀에 티타늄이 사용된다.[citation needed]제트 엔진의 초기 용도는 1950년대 오렌다 이로쿼이였다.[better source needed][86]

티타늄은 바닷물에 의한 부식에 내성이 있기 때문에 담수화 공장에서 프로펠러 샤프트, 고정, 열교환기,[7] 소금물 수족관용 히터칠러, 낚싯줄과 리더, 다이버 칼 등을 만드는 데 사용된다.티타늄은 과학과 군을 위해 해양이 구축한 감시 및 감시 장치의 하우징과 부품에 사용된다.구소련은 거대한 진공관에 티타늄 합금을[87] 단조시킨 선체로 잠수함을 만드는 기술을 개발했다.[82]

티타늄은 주노 우주선의 금고 벽에서 탑재된 전자장치를 보호하기 위해 사용된다.[88]

공업

티타늄 실링 스탬프

용접 티타늄 파이프 및 프로세스 장비(열 교환기, 탱크, 프로세스 용기, 밸브)는 주로 부식 저항성을 위해 화학 및 석유화학 산업에 사용된다.특정 합금은 높은 강도(예: 티타늄 베타 C 합금), 부식 저항성 또는 두 가지 모두를 위해 오일 및 가스 다운홀 용도와 니켈 하이드로매탈러지에 사용된다.펄프·종이 산업은 차아염소산나트륨이나 습식염소가스(표백제) 등 부식성 매체에 노출된 공정 장비에 티타늄을 사용한다.[89]그 밖에 초음파 용접,[90] 파동 땜질, 스퍼터링 표적 등이 응용된다.[91]

무색의 액체인 티타늄 테트라클로라이드(TiCl4)는 TiO를2 만드는 과정에서 중간재로 중요하며 지글러-나타 촉매 생산에도 사용된다.테트라클로라이드 티타늄은 유리를 이산화하는데도 사용되며, 습한 공기에서는 강한 연기를 뿜어내기 때문에 연막 제작에도 사용된다.[13]

소비자 및 건축

티타늄 금속은 특히 저중량과 고강도와 강성이 중요한 자동차와 오토바이 경주에서 자동차 용도에 사용된다.[92]일부 후발 모델 코벳은 티타늄 배기가스로 제조되었으며, [93]코르벳 Z06의 LT4 슈퍼차지 엔진은 더 큰 강도와 열에 대한 저항성을 위해 경량의 고체 티타늄 흡기 밸브를 사용한다.[94]

티타늄은 테니스 라켓, 골프채, 라크로스 스틱 샤프트, 크리켓, 하키, 라크로스, 축구 헬멧 그릴, 자전거 프레임과 부품 등 많은 스포츠 용품에 사용된다.자전거 생산의 주류는 아니지만, 티타늄 자전거는 레이싱 팀과 어드벤처 사이클 선수들에 의해 사용되어 왔다.[95]

티타늄 합금은 다소 비싸지만 내구성이 뛰어나고 오래 지속되며 가벼운 무게로 피부 알레르기를 일으키지 않는 안경테에 사용된다.많은 배낭 여행객들은 조리 기구, 식기류, 등불, 텐트 말뚝 등 티타늄 장비를 사용한다.기존 철강이나 알루미늄 대체재에 비해 가격이 다소 비싸지만 티타늄 제품은 강도를 떨어뜨리지 않고 상당히 가벼울 수 있다.티타늄 편자는 더 가볍고 내구성이 좋아 패리어들이 강철보다 선호한다.[96]

빌바오 프랭크 게리 구겐하임 미술관의 티타늄 피복재

티타늄은 때때로 건축에 사용되었다.우주여행 첫 남자 유리 가가린의 42.5m(139ft) 기념비.55°42′29.7″N 37°34′57.2″E / 55.708250°N 37.582556°E / 55.708250; 37.582556)와 모스크바의 코스모나우트 박물관 꼭대기에 있는 110m(360ft)의 우주 정복자 기념비는 금속의 매력적인 색상과 로켓과의 연관성을 위해 티타늄으로 만들어졌다.[97][98]구겐하임 미술관 빌바오와 세리토스 밀레니엄 도서관은 각각 티타늄 판넬로 덮인 유럽과 북미에서 최초의 건물이었다.[83]프레데릭 C에서는 티타늄 피복이 사용되었다.콜로라도 덴버에 있는 해밀턴 빌딩.[99]

다른 금속(철강, 스테인리스강, 알루미늄)에 비해 티타늄의 강도와 경량화가 우수하고, 최근 금속작업기술의 발달로 인해 화기 제조에 있어서 그 사용이 더욱 널리 보급되고 있다.주요 용도는 권총 프레임과 리볼버 실린더를 포함한다.같은 이유로 노트북 컴퓨터의 본체(예: Apple의 PowerBook 라인)에서도 사용된다.[100][101]

삽, 칼 손잡이, 손전등과 같은 일부 고급 경량 및 내식성 도구들은 티타늄 또는 티타늄 합금으로 만들어진다.[101]

보석

양극화 티타늄의 전압과 색상의 관계

티타늄은 내구성이 뛰어나 디자이너 장신구(특히 티타늄 반지)용으로 인기가 높아졌다.[96]이것의 불활성은 알레르기가 있거나 수영장과 같은 환경에서 보석을 착용할 사람들에게 좋은 선택이다.티타늄은 또한 금과 합금되어 24캐럿 금으로 시판될 수 있는 합금을 생산하는데, 합금 Ti의 1%가 부족하여 더 적은 마크를 필요로 하기 때문이다.결과 합금은 대략 14캐럿 금의 경도로 순수 24캐럿 금보다 내구성이 뛰어나다.[102]

티타늄의 내구성, 경량화, 덴트·부식 저항성이 있어 워치케이스에 유용하다.[96]어떤 예술가들은 티타늄으로 조각품, 장식물, 가구를 생산한다.[103]

티타늄은 표면 산화층의 두께를 변화시키기 위해 양극화 되어 광학적 간섭과 다양한 밝은 색상을 유발할 수 있다.[104]티타늄은 이 색소와 화학적 불활성성으로 바디 피어싱에 인기 있는 금속이다.[105]

티타늄은 전용 비순환 동전과 메달에 소량 사용된다.1999년에 지브롤터는 밀레니엄 기념일을 위한 세계 최초의 티타늄 동전을 발매했다.[106]호주 럭비 리그 팀인 골드 코스트 티탄스가 올해의 선수에게 순수 티타늄 메달을 수여한다.[107]

메디컬

주요 기사:티타늄 생체적합성

티타늄은 생체적합성(독성이 없고 인체에 의해 거부되지 않음)이기 때문에 고관절과 소켓(관절 교체) 등 수술기구와 임플란트, 최대 20년 동안 제자리를 유지할 수 있는 치과용 임플란트 등 의학적 용도가 많다.[50]티타늄은 약 4%의 알루미늄 또는 6%의 알과 4%의 바나듐으로 합금되는 경우가 많다.[108]

손목 골절을 치료하는 데 사용되는 의료용 나사 및 플레이트.저울은 센티미터로 되어 있다.

티타늄은 삼서 일체화 기능이 내재돼 있어 30년 이상 지속할 수 있는 치과용 임플란트에서도 사용이 가능하다.이 특성은 정형외과적 임플란트 적용에도 유용하다.[50]이는 티타늄의 낮은 탄성계수(Young's modulus)가 이러한 장치들이 수리하고자 하는 뼈의 그것과 더 밀접하게 일치하도록 하는 이점이 있다.그 결과 골격하중이 뼈와 임플란트 사이에 고르게 공유되어 정형외과적 임플란트의 경계에 발생하는 스트레스 차폐 및 근동골 골절 등으로 골격 저하 발생률이 낮아진다.그러나 티타늄 합금의 뻣뻣함은 여전히 뼈의 2배 이상이기 때문에 인접한 뼈는 하중이 크게 감소하여 악화될 수 있다.[109][110]

티타늄은 비철자성이기 때문에 티타늄 임플란트 환자들은 자기공명영상(장기 임플란트 시 편안함)으로 안전하게 검사할 수 있다.체내 삽입을 위한 티타늄을 준비하기 위해서는 표면 원자를 제거하는 고온 플라즈마 아크에 피사체를 부여해 즉각 산화되는 신선한 티타늄을 노출시키는 것이 포함된다.[50]

적층 제조 기법의 현대적인 발전은 정형외과 임플란트 용도에 티타늄을 사용할 수 있는 가능성을 증가시켰다.[111]복합 임플란트 비계 디자인은 티타늄 합금을 사용하여 3D 프린팅할 수 있어 환자 맞춤형 적용과 임플란트 삼서 적분 증가가 가능하다.[112]

티타늄은 이미지 유도 수술에 사용되는 수술 기구뿐만 아니라 휠체어, 목발 등 고강도 저체중이 바람직한 모든 제품에 사용된다.[113]

이산화티타늄 나노입자는 전자제품과 의약품·화장품 납품에 널리 사용된다.[114]

핵폐기물저장장치

부식 저항성 때문에, 티타늄으로 만들어진 용기는 핵 폐기물을 장기간 보관하기 위해 연구되어 왔다.10만년 이상 지속되는 컨테이너는 재료 결함을 최소화하는 제조 조건과 함께 가능하다고 생각된다.[115]다른 유형의 용기 위에 티타늄 "드립 실드"를 설치하여 수명을 향상시킬 수도 있다.[116]

주의사항

티타늄은 다량 복용해도 독성이 없으며 인체 내부에서 자연적인 역할을 하지 않는다.[25]티타늄의 추정량은 매일 0.8mg으로 인간이 섭취하지만 대부분은 조직에 흡수되지 않고 통과한다.[25]그러나 실리카를 함유한 조직에서는 때때로 생물학적으로 축적된다.한 연구는 티타늄과 노란 네일 증후군 사이의 연관성을 보여준다.[117]

분말 또는 금속 파동의 형태로 티타늄 금속은 상당한 화재 위험을 야기하며, 공기 중에 가열될 경우 폭발 위험이 있다.[118]물과 이산화탄소는 티타늄 화재를 진압하는 데 효과가 없다. 대신 D급 건조 분말제를 사용해야 한다.[8]

염소의 생산이나 취급에 사용할 때 티타늄은 티타늄-염소화염을 일으킬 수 있으므로 건조한 염소 가스에 노출되지 않아야 한다.[119]

티타늄은 산화되지 않은 신선한 표면이 액체 산소와 접촉할 때 불이 붙을 수 있다.[120]

식물에서의 기능

The dark green dentated elliptic leaves of a nettle
쐐기풀은 티타늄 백만개당 최대 80ppm을 함유하고 있다.[25]

식물의 알려지지 않은 메커니즘은 탄수화물의 생산을 촉진하고 성장을 촉진하기 위해 티타늄을 사용할 수 있다.이것은 대부분의 식물이 티타늄을 약 1ppm 함유하고, 식품 식물은 약 2ppm 함유하고, 고추와 쐐기는 최대 80ppm 함유하고 있는 이유를 설명할 수 있다.[25]

참고 항목

참조

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참고 문헌 목록

외부 링크