티타늄은 화학 공정, 해양, 항공우주, 의료 장비용 맞춤 가공 부품에서 가장 자주 요청되는 재료 중 하나입니다. 동시에 잘 가공하기 어려운 금속 중 하나이기도 합니다. 이 가이드에서는 가장 일반적인 순 티타늄 및 합금 등급인 Grade 2와 Grade 5(Ti-6Al-4V)를 중심으로, 주문 시 지정해야 할 공차, 표면 마감, 후가공 처리를 설명합니다.
티타늄이 가공하기 어려운 이유
티타늄 부품 견적이 같은 형상의 스테인리스 대비 3-5배로 나오는 데에는 분명한 이유가 있습니다. 티타늄은 CNC 가공에서 세 가지 문제가 겹칩니다.
- 낮은 열전도율(Grade 2는 6.7 W/m-K, Grade 5는 6.6 W/m-K). 비교를 위해 304 스테인리스는 약 16 W/m-K, 6061 알루미늄은 약 167 W/m-K입니다. 열이 공작물로 잘 빠져나가지 않아 공구 끝에 집중되고 마모가 빨라집니다.
- 가공 경화. 절삭 대신 문지르는 상태가 되면 표면층이 빠르게 경화되어 다음 패스에서 더 가공하기 어려워집니다. 강한 셋업, 날카로운 공구, 안정적인 칩 로드가 필요합니다.
- 고온에서의 화학적 반응성. 약 500°C를 넘으면 티타늄은 대기 중 산소와 질소와 반응하고, 초경 공구 날에 용착되기 쉽습니다. 그래서 더 낮은 절삭 속도, 고압 쿨런트, 더 잦은 공구 교체가 필요합니다.
실제로 티타늄 합금의 절삭 속도는 보통 30-60 m/min 수준이며, 이는 오스테나이트계 스테인리스의 100-200 m/min보다 훨씬 낮습니다. 가공 시간은 길어지고 공구 비용은 올라가며, 기계 강성이 더 중요해집니다. 결국 티타늄을 자주 가공하는 업체인지가 품질과 비용에 큰 차이를 만듭니다.
Grade 2와 Grade 5 중 무엇을 써야 하나
Grade 2(상업용 순 티타늄)와 Grade 5(Ti-6Al-4V)의 선택은 내식성과 기계 강도 사이의 비교적 명확한 트레이드오프입니다.
Grade 2 — 상업용 순 티타늄
Grade 2는 화학 공정과 해양 산업의 대표 등급입니다. 산화성 산(질산, 크롬산), 염화물 환경, 해수에서 우수한 내식성을 제공합니다. 강도는 더 낮지만(항복강도 345 MPa 수준) Grade 5보다 성형과 가공이 더 쉽습니다. 공격성 유체에 대한 내식성이 필요하지만 큰 하중을 받지 않는 플랜지, 배관 피팅, 밸브 바디, 열교환기 부품, 계장 하우징에 적합합니다.
Grade 5 — Ti-6Al-4V
Grade 5는 전 세계에서 사용되는 티타늄의 절반 이상을 차지하는 대표 합금입니다. 6% 알루미늄과 4% 바나듐 첨가로 항복강도는 Grade 2 대비 약 두 배인 830 MPa 수준까지 올라가며, 고강도 강재에 맞먹는 강도를 가지면서도 중량은 약 57% 수준입니다. 내식성과 구조 하중 성능이 모두 필요한 항공우주용 패스너, 의료용 부품, 고성능 밸브 스템, 레이싱 부품, 해저 커넥터 등에 적합합니다.
Grade 2 vs Grade 5 사양 비교
인장강도(최소): Grade 2 — 345 MPa | Grade 5 — 900 MPa
항복강도(0.2% 오프셋, 최소): Grade 2 — 275 MPa | Grade 5 — 830 MPa
연신율(최소): Grade 2 — 20% | Grade 5 — 10%
밀도: Grade 2 — 4.51 g/cm3 | Grade 5 — 4.43 g/cm3
열전도율: Grade 2 — 6.7 W/m-K | Grade 5 — 6.6 W/m-K
탄성계수: Grade 2 — 103 GPa | Grade 5 — 114 GPa
경도: Grade 2 — HRC 20 전후 | Grade 5 — HRC 36 전후
피삭성: Grade 2 — 보통 | Grade 5 — 난가공
ASTM 규격: Grade 2 — ASTM B348 / B381 | Grade 5 — ASTM B348 / B381
실현 가능한 공차와 표면 마감
CNC 티타늄 부품에서 실제로 가능한 정밀도는 형상, 설비, 업체 경험에 따라 달라집니다. 실무적인 기준은 다음과 같습니다.
- 일반 가공 공차: +/-0.05 mm. 대부분의 기능면과 볼트홀 패턴에 충분합니다.
- 정밀 공차: +/-0.02 mm. 중요한 보어, 씰링 면, 맞춤 면에 현실적인 수준입니다. 더 정밀한 치구와 마감 패스가 필요하므로 비용은 증가합니다.
- 엄격 공차(연삭/방전가공 포함): +/-0.005 mm도 가능하지만, 산업용 여과 부품에서는 드물게만 필요합니다.
- 표면 조도: 일반적인 티타늄 절삭면은 Ra 1.6-3.2 µm 정도입니다. Ra 0.8 µm는 정밀 마감 절삭으로 가능하고, Ra 0.4 µm 이하가 필요하면 연마 또는 전해연마 같은 2차 공정이 필요합니다.
도면에 공차를 지정할 때는 실제 기능상 필요한 부분에만 엄격한 공차를 적용하는 것이 좋습니다. 티타늄 부품에 과도한 공차를 걸면 성능 향상 없이 가공 시간과 비용만 증가합니다.
대표적인 CNC 가공 티타늄 부품
플랜지 및 피팅
ASME B16.5 또는 맞춤 치수의 티타늄 플랜지는 화학 반응기, 오프쇼어 배관, 담수화 설비에서 널리 사용됩니다. 대부분의 부식성 플랜지 적용은 Grade 2로 대응 가능하며, 더 높은 볼트 하중이나 압력 등급이 필요할 때 Grade 5를 사용합니다.
밸브 바디 및 스템
원형 봉재나 단조 블랭크에서 가공한 티타늄 밸브 부품은 클로르알칼리, 표백 공정, 해수 냉각 시스템 등 스테인리스가 공식이나 틈부식을 겪기 쉬운 조건에서 사용됩니다.
맞춤 커넥터 및 어댑터
계장 피팅, 센서 하우징, 맞춤 나사 어댑터는 전형적인 소량 티타늄 가공품입니다. 이런 부품은 대개 정밀 보어와 표준 나사산(미터 또는 NPT)을 함께 포함합니다.
필터 및 스파저 부품
소결 금속 필터 조립체용 티타늄 엔드 캡, 콜렉터 튜브, 서포트 링도 대표적인 예입니다. 이런 부품은 다공성 매체와 접속되므로 누설 없는 결합을 위해 씰링 면의 표면 상태 관리가 중요합니다.
후가공 표면 처리
가공된 티타늄은 원래도 내식성이 높지만, 용도에 따라 여러 후처리가 사용됩니다.
- 산세 또는 화학 세정: 철 오염, 가공 잔류물, 열변색 제거가 필요할 때 사용됩니다. 정확한 화학 조성은 티타늄 등급, 표면 마감 목표, 최종 사용 환경에 맞춰 결정해야 합니다.
- 전해연마: 표면층을 전기화학적으로 제거하여 Ra를 대략 50% 줄이고 세척이 쉬운 표면을 만듭니다. 제약 및 반도체 용도에서 흔합니다.
- 아노다이징(Type II 또는 Type III): 산화층을 0.5-5 µm 두께로 성장시켜 내마모성을 높이고 식별 또는 미관용 간섭색(블루, 퍼플, 골드)을 부여합니다. 다만 알루미늄의 경질 아노다이징처럼 큰 경도 상승을 주는 코팅은 아닙니다.
- PVD 코팅(TiN, TiAlN): 밸브 시트처럼 마모가 중요한 용도에 사용됩니다. 티타늄 기재 위에 매우 단단한 층을 형성할 수 있습니다.
도면에 포함해야 할 사항
CNC 가공 티타늄 부품의 완전한 사양에는 보통 다음 항목이 포함되어야 합니다.
- 재질 등급 및 적용 규격 (예: "Ti Grade 5 per ASTM B348")
- 중요 치수의 공차
- 표면 마감 요구사항 (해당 면의 Ra 값)
- 나사 규격 및 등급 (예: M12x1.75-6H)
- 후가공 처리 (패시베이션, 전해연마, 아노다이징)
- 검사 요구사항 (CMM 리포트, 3.1 재질 성적서)
FILTURE는 Grade 2와 Grade 5 모두의 CNC 가공 티타늄 부품을 시제품부터 양산까지 제조합니다. Baoji 공장에는 티타늄 가공용 고압 쿨런트 시스템을 갖춘 CNC 선반 및 머시닝 센터가 있습니다. 자세한 내용은 티타늄 가공 부품 페이지를 보거나, 도면과 함께 문의해 주세요.
