순수 티타늄은 다음 온도에서 녹습니다. 1,668°C(3,034°F; 1,941K) 표준 압력 하에서.
융점이 중요한 이유
용융 온도는 열처리에 대한 엄격한 상한을 설정하고, 용광로와 용융물의 선택에 영향을 주며, 특정 티타늄 제품에 적합한 성형 또는 접합 방법을 제어합니다. 고온 성능, 제조 전략 및 비용은 모두 요소의 용융 거동과 관련이 있습니다. 엔지니어링 실무에서는 합금의 고체/액체 범위 및 상변환 온도와 함께 단일 수치 융점을 사용해야 합니다.
원자 배경 및 결정 단계
티타늄(원자 번호 22)은 주기율표의 4족에 속합니다. 실온에서는 육각형의 밀집된 격자(일반적으로 α 상이라고 함)를 취합니다. 더 높은 임계값 이상으로 가열하면 베타 트랜서스를 초과하면 몸체 중심의 입방 β 상으로 변합니다. 이러한 변환은 합금 원소의 격자 배열, 확산 속도 및 용해도가 α와 β 간에 현저하게 다르기 때문에 기계적 거동과 용융 특성에 영향을 줍니다. 상업적으로 순수한 등급의 일반적인 β 전이 온도는 880-970°C에 가깝지만 특정 합금에서는 더 높거나 낮은 전이점을 나타낼 수 있습니다.
표준값 및 측정 방법
대부분의 권위 있는 데이터베이스에서는 티타늄의 용융(융합) 온도를 다음과 같이 제시하고 있습니다. 1,668°C(1,941K; 3,034°F). 이 수치는 열화학적 기준 데이터와 국가 표준 모음집에서 합의된 수치로, 표준 기준표에 사용되는 값입니다. 주요 주요 열화학 측정과 JANAF/NIST 편집이 이 수치를 뒷받침합니다. 역사적으로 측정 방법에는 고온 용융 시 광학 고온 측정법, 미분 열 분석, 열량 측정법 등이 있으며, 현대 연구에서는 체계적인 오차를 줄이기 위해 복사 온도 보정과 세심한 방사율 보정을 사용합니다. NIST 웹북과 동료 검토를 거친 열물리학 연구에는 이러한 결정이 요약되어 있습니다.
고체, 액체 및 합금 동작
순수한 원소 용융은 단일 온도에서 이루어집니다. 그러나 실제 엔지니어링 합금은 온도 간격에 따라 녹습니다: 솔리더스 (녹기 시작하는 곳)에서 liquidus (용융이 완료된 곳). 일반적인 항공우주 합금 Ti-6Al-4V(5등급)의 경우, 솔리더스 값은 다음과 같습니다. 1,604°C(2,920°F) 및 리퀴두스 근처 1,660°C(3,020°F) 가 일반적으로 보고되며, 다른 합금과 밀 조건은 약간 다른 범위를 생성합니다. 따라서 설계자는 주조, 용접 예열 또는 적층 제조 파라미터를 지정할 때 순원소 녹는점 대신 합금별 고체/액체 데이터를 사용해야 합니다.
베타 트랜서스 및 고온 변환
그리고 베타 트랜서스 는 가열 시 α→β 전이를 표시합니다. 정확한 값은 조성과 열처리에 따라 달라지며, 상업적으로 순수한 티타늄 등급은 종종 베타 트랜서스에 가깝습니다. 880-950 °C를 초과하는 반면, 알루미늄 안정화 또는 기타 합금 시스템은 이 임계값을 초과합니다. β 상은 대칭성이 높고 용질 거동이 다르므로 입자 성장률, 재결정화 및 후속 응고 미세 구조는 가공이 트랜서스를 통과하는지 여부에 따라 달라집니다. 가열/냉각 주기를 적절히 제어하면 의도한 미세 구조를 보장하고 바람직하지 않은 거칠어짐이나 취성을 방지할 수 있습니다.
용융 시 및 그 근처의 열물리학적 특성
열 계산에 유용한 주요 숫자:
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녹는점(순수 Ti): 1,668°C(1,941K).
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융합 열(약): ~14.15 kJ-mol-¹(발표된 JANAF/NIST 자료집).
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액체 밀도(m.p.) 일반적으로 ~4.1g/cm-³(20°C에서 고체 ~4.5g/cm-³와 비교)입니다. 이러한 값은 캐스팅 및 수축 예측에 중요합니다.
용해로, 유도 유지 계산 또는 레이저 열 입력 추정을 위한 에너지 균형 모델에서 이 수치를 사용합니다.
불순물 및 합금이 용융 거동에 미치는 영향
산소, 질소, 탄소, 철 또는 알루미늄과 같은 소량의 원소는 두 가지 방식으로 용융 거동을 변화시킵니다:
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용융 범위의 용액 낮추기/올리기: 특정 용질은 액상/고체 간격을 좁히는 반면 다른 용질은 간격을 넓힙니다. 예를 들어, V와 Al은 상 안정성을 변화시켜 Ti-6Al-4V의 실제 용융 윈도우에 영향을 미칩니다.
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저융점 유체학 형성: 철 또는 구리에 의한 오염은 저온에서 녹는 소량의 공융 포켓을 생성하여 열 사이클 동안 국부적으로 용융될 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 용융 및 용접 시 공급 원료 화학 제어와 저산소 취급은 매우 중요합니다.
실용적 시사점: 용융 및 재용융은 원치 않는 저용융 단계를 피하기 위해 통제된 대기에서 엄격한 전하 화학을 사용하여 수행해야 합니다.
산업용 용융 및 정제 방법
티타늄은 고온에서 산소, 질소, 수소와 강하게 반응하기 때문에 상업적 생산과 재용융은 보호 환경을 채택합니다:
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진공 아크 재용융(VAR) 그리고 전자빔 용융(EBM) 는 용존 가스가 적고 조성이 제어된 잉곳을 정제하고 생산하는 데 널리 사용됩니다.
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플라즈마 용융 그리고 차가운 난로 녹기 는 분리 제어 및 포함 제거에도 사용됩니다.
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크롤 및 헌터 프로세스 용융 전에 스펀지 티타늄을 생산하고, 그 후 진공 유도 용융(VIM) 또는 VAR을 사용하여 통합하여 잉곳을 만듭니다.
각 방법은 다운스트림 열처리 및 제조에서 용융 거동에 영향을 미치는 모든 요소인 포함 개체군, 가스 함량 및 균질성에 영향을 미칩니다.
참고 사례: 용광로 및 용해 장비에는 티타늄 화학을 위해 설계된 진공 수준, 도가니 재료 및 차폐 체계가 포함되어야 합니다.
용접 및 레이저 기반 적층 제조는 정밀한 용융 풀 제어에 달려 있습니다:
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차폐: 불활성 가스(아르곤 또는 헬륨) 또는 진공은 산소/질소 픽업과 깨지기 쉬운 간극 안정화 단계를 방지하기 위해 필수입니다.
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열 입력: 파우더 베드 용융의 레이저 출력, 빔 속도 및 레이어 전략은 파우더/트랙을 완전히 용융시키되 키홀링이나 과도한 기화를 방지하는 용융 풀을 생성하도록 설정해야 합니다.
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고형화 미세 구조: AM에서의 급속 냉각은 많은 Ti 합금에서 미세한 마르텐사이트 α′를 생성하는 경향이 있으며, 후처리 열처리는 잔류 응력을 완화하고 완화할 수 있습니다.
특정 합금에 대한 고체/액체 데이터는 휘발성 합금 원소(예: Ti-6Al-4V의 Al)의 과도한 증발 없이 일관된 용융을 보장하기 위한 공정 창을 안내해야 합니다.
비교 관점(표)
아래는 티타늄과 일반적으로 사용되는 몇 가지 엔지니어링 금속의 용융 온도를 간결하게 비교하여 소재 선택 맥락에서 티타늄의 위치를 파악할 수 있습니다.
| 금속/합금 | 일반적인 녹는 온도(°C) | 참고 |
|---|---|---|
| 티타늄(순수) | 1,668 | 고융점, 경량, 엔지니어링 합금의 종류는 다양합니다. |
| 스테인리스 스틸(304) | ~1,400-1,450 | Ti보다 낮지만 고온 강도는 다릅니다. |
| 탄소강 | ~1,420-1,515 | 탄소 및 합금 함량에 따라 다릅니다. |
| 니켈(순수) | 1,455 | 일부 강철과 비슷하며 니켈 초합금은 합금으로 인해 더 높은 사용 온도를 견뎌냅니다. |
| 인코넬 718 | ~1,300~1,380(고체/액체에 따라 다름) | 초합금, 고체 용액/침전물로 인해 고온에서 강도가 높습니다. |
| 알루미늄(순수) | 660 | 훨씬 더 낮은, 더 가볍지만 고온 성능이 낮습니다. |
이 표는 무게, 고온 성능, 비용 간의 절충점을 고려할 때 사용합니다.
측정 불확도, 캘리브레이션 및 모범 사례
고온 용융 측정이 필요합니다:
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보정된 고온 측정 또는 접촉식 온도계 고정 소수점 표준에 묶여 있습니다.
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방사율 보정 광학 방법을 사용할 경우 복사 방법은 용융 금속 표면의 파장 의존적 방사율 변화를 고려해야 합니다.
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반복 가능한 샘플 지오메트리 및 대기 제어를 통해 표면 산화물이 겉보기 복사 온도를 변화시키지 않도록 합니다.
NIST 및 동료 검토를 거친 열 측정 연구에서는 보고된 융점에서 체계적인 상쇄를 줄인 복사 온도 보정에 대해 논의합니다. 엄격한 작업은 JANAF/NIST 데이터 세트와 최근 열물리 측정 보고서를 참조하세요.
실용적인 테이블
표 A - 순수 티타늄 키 번호
| 속성 | 가치 |
|---|---|
| 융점(융합) | 1,668°C(1,941K; 3,034°F) |
| 융합의 열기 | ~14.15 kJ-mol-¹ |
| 고체 밀도(20°C) | ~4.50 g-cm-³ |
| 액체 밀도(m.p. 기준) | ~4.1 g-cm-³ |
표 B - 대표적인 합금 고체/액체(일반적인 범위)
| 합금 | 고체(°C) | 액체(°C) | 출처 |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V(5등급) | ~1,604 | ~1,660 | MatWeb / ASM 데이터시트 |
| CP-Ti(1등급) | ~1,665-1,670 | ~1,670 | MatWeb 데이터시트 |
| Ti-3Al-2.5V | ~1,700(최대) | - | 재료 데이터시트 |
표 C - 일반적인 위상 온도(예시)
| 개념 | 일반 온도(°C) |
|---|---|
| β 트랜서스(CP 등급) | ~880-950 |
| 일반적인 열처리 단조 창 | 800-1,050(합금에 따라 다름) |
| 용융/주조 창(리퀴더스 영역) | >1,600-1,700 |
자주 묻는 질문
1. 상업적으로 순수한 티타늄의 녹는점은 얼마인가요?
순수 티타늄은 일반적으로 다음과 같은 온도에서 녹습니다. 1,668°C(3,034°F). 엔지니어링 작업의 경우 합금별 고체/액체 데이터를 참조하세요.
2. Ti-6Al-4V는 순수 티타늄과 같은 온도에서 녹나요?
번호 Ti-6Al-4V는 용융 간격을 보여줍니다 : 고체 근처 1,604 °C 및 리퀴두스 근처 1,660 °C프로세스 창은 합금 데이터를 사용해야 합니다.
3. 산소 및 질소 오염은 용융에 어떤 영향을 미치나요?
이들은 순수 원소 융점을 크게 변화시키지는 않지만 취성을 유발하고 불순물과 함께 저융점 금속 간 용융을 촉진할 수 있습니다. 국부적인 용융 또는 약한 영역을 방지하기 위해 대기와 공급 원료 순도를 제어합니다.
4. 가장 깨끗한 티타늄 잉곳을 생성하는 용융 방법은 무엇인가요?
저가스, 저함유 잉곳에는 진공 아크 용융(VAR)과 전자빔 용융(EBM)이 표준입니다. 저온 용융은 고밀도 내포물을 제거하는 데도 도움이 됩니다.
5. 티타늄은 녹으면 반응성이 있나요?
예. 용융 티타늄은 산소, 질소, 탄소와 쉽게 반응하므로 오염을 방지하기 위해 진공 또는 불활성 가스 상태에서 용융해야 합니다.
6. 티타늄의 융합 열은 무엇이며 왜 중요한가요?
대략 14.15 kJ-mol-¹. 이 숫자는 용광로 크기 조정 및 레이저/용접 열 균형을 위한 에너지 계산에 사용됩니다.
7. 티타늄을 녹이는 데 표준 스테인리스 스틸 용광로를 사용할 수 있나요?
내화 라이닝과 무산소 분위기가 필요한 신중한 설계가 필요합니다. 일반 공기 연소 또는 개방형 용광로는 부적합합니다.
8. 베타 트랜서스는 녹는 것과 어떤 관련이 있나요?
베타 트랜스수스는 녹는점보다 훨씬 낮지만 주조 및 용접 결과에 영향을 미치는 고온의 기계적 거동과 입자 구조를 결정합니다.
9. 첨가제 제조 공정에서 티타늄 분말을 완전히 녹일 수 있나요?
많은 AM 공정은 파라미터가 정확할 때 완전한 용융 풀을 생성합니다. 분말 베드 융합(레이저 또는 전자 빔)은 일반적으로 완전한 융합을 달성하지만 비등점이 낮은 구성 성분의 다공성 및 증발을 방지하기 위한 제어가 필요합니다.
10. 티타늄에 대한 공신력 있는 열물리학적 수치는 어디에서 찾을 수 있나요?
주요 출처로는 NIST JANAF 표, 국가 실험실 핸드북, ASM/MatWeb 재료 데이터시트 등이 있습니다. 이를 사용하여 엔지니어링 계산을 검증하세요.
측정 정밀도에 대한 문헌에서 말하는 것
고품질의 복사 온도 실험은 합의 값의 몇 켈빈 이내의 용융 온도를 생성했으며, 방사율을 주의 깊게 보정하고 고정점 표준으로 보정하면 산란을 줄일 수 있습니다. 최근의 열물리 측정 보고서 및 편집물(NIST/JANAF, 동료 검토 측정 논문)은 정밀 작업을 위한 권장 시작점입니다.
마무리 요약
순수 티타늄의 녹는점은 다음과 같습니다. 1,668 °C 은 기본적인 열물리학적 데이터입니다. 응용 엔지니어링의 경우 이 수치는 합금 고체/액체 데이터, 베타-트랜스 온도, 열화학적 특성(용융열, 밀도 변화)과 함께 사용하여 처리 창을 설정하고 용융 장비를 선택하며 접합 또는 첨가 공정을 설계해야 합니다. 시뮬레이션이나 조달을 위해 정확한 수치가 필요한 경우 권위 있는 데이터베이스(NIST, ASM/MatWeb, 동료 검토 열물리 연구)를 활용하세요.
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