티타늄은 1790년 잉글랜드의 콘웰에 사는 한 성직자이며 지질학자인 윌리엄 그레거 (William Gregor)에 의해 발견되었다. 그러나 1910년까지 순수한 티타늄을 얻을 수는 없었고, 1950년대 초기까지도 상업적인 가치를 지니는 제품을 만들 수 없었다. 티타늄 제품은 매년 약8%의 신장을 거듭했고, 1960년대 초반에는 군사용부터 상업용으로 중요한 소재로 전환된다.

순수한 티타늄은 높은 강도, 가벼움, 뛰어난 내구성을 지녀 항공 우주 산업에서 필요성을 느꼈다. 1950년대에, 높은 강도의 합금(alloy)이 개발되었고 6-4(6% 알루미늄, 4% 바나듐, 90% 티타늄)라고 명명되었다. 그리고 바로 엔진 부분과 기체의 부품으로 사용되었다. 그러나 6-4는 낮은 연성(ductility)으로 관(tubing)을 만들기가 어려웠다. 그래서 3-2.5(3% 알루미늄, 2.5% 바나듐, 94.5% 티타늄)라 불리우는 새로운 합금(alloy)이 개발되었다.

오늘날, 항공소재로 사용되는 티타늄 튜빙은 모두 3-2.5 합금을 사용한다. 이것은 1970년대에 골프 샤프트 같은 스포츠 용품에 이용하게 된다. 1980년대에는 휠체어, 스키 폴, 당구 큐, 테니스 라켓등에 이용하게 된다.

1970년대에, 순수한(CP, commercially pure) 티타늄이 처음으로 자전거 프레임에 사용되었다. 이렇게 만들어진 프레임은 매우 가볍고, 탄력적이었다. 그러나 험한 라이딩이나, 경주에 필요한 정도의 강도를 갖질 못했다. 1986년에, 처음으로 3-2.5 합금의 티타늄 프레임이 만들어진다. 1990년도에 최초의 더블-버티드 3-2.5 합금 튜빙이 만들어 진다.

티타늄의 가격

티타늄은 상당히 비싸다. 그러나 비싼 이유가 소재 자체의 희귀성때문은 아니다. 사실, 지구상에서 4번째로(알루미늄, 철, 마그네슘 다음으로) 많은 광물이다. 티타늄 이산화물의 형태로 일반적으로 사용되며, 여러곳에서 사용된다.

티타늄의 가격이 비싼이유는 다음과 같은 원인에서 기인한다.

• 정제비용 - 티타늄은 순수한 형태로 존재하지 않는다. 정제 과정에서 많은 비용, 인력이 소모된다.
• 처리비용 - 순수한 티타늄이든, 다른 재료와 혼합된 합금의 형태이든, 티타늄은 매우 단단한 물질로 특수한 툴이 필요하게 된다. 그리고 열처리와 어닐링(annealing, 풀림,담금질)을 위해서는 공기와 단절된 환경에서 작업을 해야 한다.
• 가공비용 - 튜빙이 만들어지는 동안 수차례의 어닐링이 필요하다.
  

한대의 보잉747기에 약 95,000파운드(약 43090톤)의 티타늄이 사용된다고 하니, 이정도면, 현재의 사용되는 티타늄 프레임의 비율이라면 8년동안 공급할 수 있는 양이다.(역주 - 최근의 티타늄 프레임, 부품의 증가 추세를 본다면 최대 8년은 아니어도 최소한 3~5년 이상은 제공할 수 있는 양이라고 생각한다.)

티타늄의 등급과 소재

티타늄합금은 특성상 광범위하게 사용되고 있다. 자전거에 적합한 합금은 강도, 탄성 (resiliency) 그리고 내구성의 관점에서 보아 3-2.5 합금이 적합하다. 또한, 3-2.5 합금이 쉽게 작은 지름의 튜빙(파이프)을 만들 수 있다. 일부 제조회사들은 프레임의 일부 부분에 6-4 합금을 이용한다. Merlin의 경우는 드롭아웃(dropout) 부분에 6-4 합금을 이용한다.

- CP

Commercially Pure, or CP는 순수한 형태의 티탸늄을 말한다. 즉 다른 소재가 섞이지 않은 순수한 티타늄을 말한다. 쉽게 튜빙을 만들 수 있고, 일부 프레임 제조회사에서(유럽, 타이완) 본딩(bonding)을 한다. 비록 많은 산업 재료에 CP가 사용되긴 하지만, 무게에 따른 강도를 본다면 3-2.5 합금에 미치질 못한다. 실제로 잘 만들어지는 스틸보다 약한 강도를 갖게 된다. 미국의 경우를 보면 CP를 4개의 등급으로 구분을 한다. 산소 함유율에 따라 나누어 지는데, CP의 항복강도(yield strength) 범위는 25~65ksi(1평방인치당 1000파운드의 힘이 가해지는 것)이다. 4등급이 가장 항복강도가 크고, 1등급이 가장 작다. 오직 4등급만이 자전거 프레임을 만드는데 이용될 수 있다.

- 3-2.5

티타늄 3-2.5 는 3%의 알루미늄, 2.5%의 바나듐 그리고 94.5%의 순수한 티타늄이 섞인 합금이다. 가장 강한 등급은 AMS 105 라고 불리우며, 최소 105ksi의 항복강도를 갖고, 최소 125ksi의 극인장강도를 갖는다. 담금질을 통해 15~30%의 신장(elongation)을 갖게 되고, 냉간 작업을 통해 10%의 신장(연성)을 갖게 된다.
3-2.5의 피로(fatigue) 무게대비 강도는 자전거 프레임에 사용되는 4130 크로몰리 스틸의 약 2배에 이른다.
이것은 훌륭한 탄성을 가지는데, 튜브의 지름과 두께의 변경으로 조절할 수 있다. 즉 자전거에 필요한 지름, 두께등을 조절할 수 있다는 것이다.
대부분의 티타늄 합금 3-2.5는 부식에도 강해서 표면에 페인트를 칠할 필요가 없다.

- 6-4

6-4 합금(6% 알루미늄, 4% 바니듐, 90% 티타늄으로 구성)은 항공소재에 있어서는 놀라운 금속이었다. 무게 대비 강도에 있어서. 미국에서 사용되는 티타늄 합금의 50% 정도가 이 합금이다.
그러나 6-4는 자전거 프레임 소재로 사용하기에는 부적절한 몇가지 중요한 점을 가지고 있다. 3-2.5와 비교해 보면, 6-4는 연성이 30%정도 낮다. 모든 6-4 튜빙은 담금질된 얇은 판을 이용해 만들어진다. 이 판을 튜브 형태의 관에 말아 용접하게 된다. 이렇게 만들어지는 튜빙은 피로 강도면에서 약해질 수 있다. 용접 부위의 불규칙적인 결정체 모양으로 피로 지속성(endurance)이 줄어들게 된다. 그리고 이런 구조는 이음새가 없는 튜빙처럼 조절할 수 없다.
또한 6-4의 절단 계수(molulus)가 3-25보다 낮다. 이런점은 자전거 프레임의 소재로 문제가 되는데, 자전거 프레임은 반복적으로 비틀림이 가해지기 때문이다.
마지막으로, 역시 가격이 제한요인이다. 6-4는 보다 많은 비용이 든다.

- Russian Titanium

러시아는 최근에 낮은 가격, 강한 강도의 티타늄 합금을 제공하기 시작했다. 이렇게 할 수 있는 이유는 다음과 같다.
첫째, 러시아는 임금과 제반 비용이 싸게 든다. 하지만 임금이 싼 대신에 만족할 만한 훌륭한 튜빙을 만들지는 못한다.
둘째, 러시아 생산자들은 보다 강한 합금에 대해 많은 자료를 가지고 있다고 전해진다. 여러가지 다른 이름의 합금이 발표되지만, 사실은 미국의 합금과 거의 유사하다. 예를 들면 러시아의 VT-6 합금의 경우는 6-4의 다른 이름이라고 생각하면 된다. 이 합금의 특성은 거의 6-4와 동일하다. 러시아의 VT-5 합금은 3-2.5와 비슷한 성능을 나타낸다.
몇가지 예가 있지만 결론적으로는, 러시아에서 생산되는 튜빙의 경우에 모델명이 달라 새로운 소재로 인식될 수 있지만, 전혀 새로운 소재가 아니라는 점과, 가격은 싸지만 전체적인 특성을 따지면 가격과 비례한다는 점이다. 즉 미국산의 티타늄 튜빙과 같은 성능을 얻기 위해서는 보다 까다롭게 생산을 해야 하고 그러기 위해서는 모든 비용이 상승하여 그 가격차이가 없어진다는 것이다.

3-2.5 튜빙 비교

미국에서, 자전거에 사용되는 3-2.5 티타늄 합금은 3가지 등급으로 구분된다.

• 3-2.5 AMS 등급 105, 747비행기의 후드(덮개)와 같은 등급이다. AMS 규격 (Aerospace Material Specifications)에 일치하는 등급이다.
  이론적으로는, AMS 105 튜빙은 제작소에서 원하는 지름, 두께로 구할 수 있다. 실제로, 이 등급은 소량 구매가 불가능 하다고 한다.
  물론 일정한 이 규격의 튜빙도 구매자에 의해 약간씩의 성질이 변경된 형태로 판매된다고 한다. Merlin의 경우는 MTS325 라는 튜빙을 주문하여 사용한다고 한다.
• 3-2.5 -sports 등급. 스포츠 등급 튜빙은 보다 싼 가격에 판매되는데, 이유는 보다 적은 가공 과정을 거치기 때문이다. 싼 가격이라는 잇점을 얻는대신에, 튜빙 표면적으로 약간은 부실해 보이는등의 이롭지 못한 점이 발생한다.
• Scrap 3-2.5. 앞의 두 등급을 만족하지 못하는 등급이다. 이 튜빙의 문제점은 튜빙 수명에 대한 확실한 보장을 할 수 없다는 것이다.

티타늄의 미래

비록 새로운 티타늄 합금이 개발된다 해도, 3-2.5 합금은 훌륭한 소재로 남을 것이다. 더블-버티드 스틸이 1897년 만들어지기 시작했지만, 버팅은 1990년 까지는 이음새가 없는 3-2.5 티타늄에는 적용되지 않았다. 잠재 가능성이 있는 것은 요즘 많은 제품들이 나오고 있는 “소프트테일” 이라는 형태의 프레임이다. 체인스테이가 스프링 역할을 하고, 따로 만들어지는 피봇이 없어 무게가 늘어날 걱정도 없고, 구조가 간단해 관리도 편하면서 일반적인 듀얼서스펜션 자전거의 느낌을 얻을 수 있다는 장점을 가진다.

티타늄의 가장 큰 걸림돌은 가격이다. 가격이 중요하지 않다면, 3-2.5 합금은 알루미늄을 대체할 미래의 자전거 프레임 또는 부품의 재료인 것이다.

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