알루미늄이란? 소재의 특징이나 사용 상의 주의점에 대해서 자세한 해설

알루미늄이란? 소재의 특징이나 사용 상의 주의점에 대해서 자세한 해설

 

알루미늄은 비철 금속 중 가장 일반적인 재료입니다.

철계의 금속 재료에는 없는 특징이 많아 폭넓게 이용되고 있습니다.

 

제품 설계를 할 때는 재료의 특징을 잘 이해하고 적절한 재종, 가공 법, 열 처리 등을 선택할 필요가 있습니다.

이번은 알루미늄의 성질과 종류에 대해서 해설합니다.

 

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알루미늄의 특징

알루미늄에는 다음과 같은 뛰어난 특징이 있습니다.

가볍다

알루미늄의 비중은 2.7정도이며 강재의 약 3분의 1입니다

.그 가벼움을 살리고, 수송기기(항공기와 인공 위성, 신칸센 등)과 건축 재료,

모바일 가전(스마트 폰 등)을 비롯한 폭넓은 분야에서 이용되고 있습니다.

강하다

순수 알루미늄에 다른 금속을 넣어 합금화함으로써 비강력(밀도당 견인 강도)을 높일 수 있습니다.

가운데도 아연과 마그네슘을 첨가 후에 열 처리한 7000번 계 합금은 특히 강도가 뛰어나고

대표적인 A7075(초々 듀랄루민)은 항공기 부품에도 이용되고 있습니다.

녹슬기 어렵다

알루미늄은 산소와 반응하기 쉽고 그 표면에는 매우 치밀한 산화 피막이 형성되어 있습니다.

이 산화 피막이 보호 층으로 일하며 부식을 막는 겁니다.

알루미늄은 비싼 내식성을 살리고, 해양 개발, 선박, 건축 등의 분야에서 이용되고 있습니다.

해변 바람에 노출되는 곳에서 30년간 사용해도 문제가 생기지 않았다는 보고도 있습니다.

 

가공하기 쉽다

알루미늄은 다양한 방법으로 가공할 수 있습니다.

위력이 잘 소성 가공에 적합하고 있으며 녹는점이 낮은 물 흐름이 되기 때문 주조에도 적합합니다.

절삭 가공하기 쉽고, 용접이 가능합니다.

많은 가공 법이 사용할 수 있어, 얇은 형상(은박지 등)에서 복잡한 형상까지 다양한 형태로 가공할 수 있습니다.

열을 잘 전한다

알루미늄의 열 전도율은 철제 약 3배입니다.

열을 전하기 쉽기 때문에 자동차의 라디에이터와 각종 열 교환기, 전자 기기의 방열기 등에 사용되고 있습니다.

전기를 잘 전한다

알루미늄은 같은 무게의 구리와 비교하고 2배의 전류를 흘립니다.

알루미늄에는 가벼움도 있고 송전선 재료로 사용하면 철탑의 간격을 넓게 되어 비용 삭감이 가능하기 때문에 

요즘은 송전선을 동선에서 알루미늄 선으로 대체하는 움직임도 나오고 있습니다.

재생하기 쉽다

장기간 사용해도 떨어뜨리기 어렵고, 융점도 낮으므로 사용 후 제품을 녹여서 쉽게 재활용할 수 있습니다.

새 것을 만들 경우 불과 3%의 에너지로 재활용할 수 있는데도 불구하고,

재활용품의 질은 신품과 거의 변하지 않아요.

자기를 갖지 않는다

알루미늄은 비자성체로 주위에 자기장이 존재해서도 영향을 받지 않습니다.

그 때문에 파라볼라 안테나 및 의료 기기, 배의 자기 컴퍼스, 초전도 관련 제품 등에 이용되고 있습니다.

금, 은, 구리와 같은 다른 비자성체보다 저렴한 점도 메리트입니다.

저온에서 강하다

액체 질소(-196℃)과 액체 산소(-183℃)등의 저온 하에서도 강도의 저하가 보이지 않고

오히려 강도가 증가하는 성질이 있습니다.

이 때문에 저온 플랜트, LNG(액화 천연 가스)탱크, 우주 개발, 생명 공학 등에서 활용되고 있습니다.

열과 빛을 반사한다

알루미늄에는 적외선이나 자외선, 전자파 등을 반사하는 성질이 있습니다.

순도를 높이거나, 경면 가공을 하면 반사율은 더 상승합니다.

이러한 성질을 살려서 난방의 반사판, 우주복, 폴리곤 밀러 등에 활용되고 있습니다.

외장이 아름답다

알루미늄은 소지의 상태에서도 아름다운 재료이지만

알루마이트 처리 등의 표면 처리를 하면 외형을 더욱 아름답게 수 있습니다.

또 전해 착색에 의한 다채로운 색을 입히는 것도 가능합니다.

디자인성이 높기 때문에 건축 외장이나 포장재 등에 사용되고 있습니다.

독성이 없다

알루미늄은 식품류와 반응하지 않습니다.

체내에 흡수된 후도 99%이상은 배출되고, 토양에 유해도 없습니다.

그래서 식품이나 약품의 포장 용기, 인체에 닿는 의료 기기 등에 자주 이용됩니다.

 

알루미늄을 사용할 때의 주의점

많은 뛰어난 특징을 가진 알루미늄이지만, 주의점도 있습니다.

 

철강 재료와 비교하면 강도가 다소 낮다

알루미늄은 비교 강도에 뛰어나지만 역시 철강 재료에 비하면 강도가 낮아집니다.

비행기의 날개처럼 부드럽게 하는 구조물에는 맞고 있는데,

톱니 바퀴처럼 강도를 요구하는 부품에는 맞지 않습니다.

 

조건에 따라서는 부식이 발생한다

녹슬기 어려운 알루미늄이지만, 소금기가 많은 환경과 이종 금속 접촉에 의한 부식하는 경우가 있습니다.

그래서 부식을 피할 경우에는 양은 처리를 가곤 합니다.

 

선팽창 계수가 크다

알루미늄의 선팽창 계수는 철계 재료의 2배 가까이 있습니다.

그래서 큰 열 변형력이 발생하고 가열과 냉각이 반복되는 부품에서는 열 피로에 의한 파손이 발생할 수 있습니다.

 

피로 한도가 없다

철계 재료의 경우 일반적으로 피로가 일어나지 않는 하한의 응력인 피로 한도가 있습니다.

즉 피로 한도 이하의 변동 부하밖에 발생하지 않는 설계에 하면 이론상 영구적으로 사용할 수 있습니다.

 

그러나 알루미늄에서는 이 피로 한도가 없어 설계 시에는 사용 중에 발생하는

변동 응력과 SN곡선 등을 비교하고 예상되는 제품 수명에서 균열 진전이 일어나도

강도상 문제가 없는지 확인이 필요합니다.

 

용접이 어려운

알루미늄 표면에 형성된 산화 피막의 녹는점은 약 2000℃나 높으므로,

용접 전에 산화 피막을 제거해야 합니다.

 

또 알루미늄은 열 전도율이 높은 녹는점이 낮아 용접시의 열이 모재에 재빠르게 알려지면서

모재에 누락이 생길 수 있습니다.

 

이를 막기 위해서는 용접 토치를 움직이는 속도를 서서히 바꾸지 않으면 안 됩니다.

이렇게 알루미늄 용접은 어렵기 때문에 외주 하는 경우는 실적이 있는 업체에 의뢰합시다.

 

알루미늄의 대표적인 종류

순수한 알루미늄은 강도가 낮기 때문에 통상은 다른 금속을 첨가하여 합금으로 합니다.

알루미늄 철 아연, 마그네슘, 구리 등을 가함으로써 여러 종류의 합금을 제작할 수 있습니다.

산업용 알루미늄제는 최종 제품의 용도 등에 따라서 전신용 합금으로 주물용 합금으로 대별됩니다.

 

전신용 합금은 가소성 변형을 이용하고 가공하기 위한 재료입니다.

한편 주물용 합금은 이름대로, 주조에 쓰이는 알루미늄으로 됩니다.

 

전신용 합금

• A1050
  A1050는 순 알루미늄계로 대표적인 재종입니다.강도는 낮지만
• 가공성·내식성이 뛰어난 장식품 및 송전선 등에 사용됩니다.

 

• A2017
  A2017은 듀랄루민으로 불리는 재종입니다.내식성은 희박하지만
• 큰 강도가 얻을 수 있어 항공기나 자동차, 기계 부품 등에 사용되고 있습니다.

 

• A2024
  A2024는 초듀릴루민이라 불리는 재종입니다.A2017보다 높은 강도를 얻을 수 있습니다.

 

• A5052
  A5052는 내식성·가공성·용접성이 뛰어나고 가장 교통량이 많은 알루미늄 합금입니다.
• 늑골재와 판금 부품 등에 사용되고 있습니다.

 

• A6061
  A6061은 내식성이 뛰어난 알루미늄 합금입니다.
• T6처리라는 열 처리에 의해서 더욱 비싼 내식성을 갖게 됩니다.

 

• A6063
  A6063은 내식성 표면 처리성이 뛰어나고 압출 제품에 가장 사용되고 있는 알루미늄 합금입니다.
• 알루미늄 새시와 전재 등에 사용되고 있습니다.

 

• A7075
  A7075는 초々 듀랄루민으로 불리는 재종으로 알루미늄 합금 중 최대의 강도를 얻을 수 있습니다.
• 이전 일본이 세계 최초로 개발하면서 영전에 사용되고 그 뛰어난 성능에 크게 기여했습니다.
• 현재에도 항공기용 재료의 대표로서 널리 이용되고 있습니다.

 

주물용 합금

• AC2B
  AC2B는 주조성이 뛰어난 일반적인 알루미늄 주조 합금으로 사용됩니다.
• 엔진의 실린더 헤드 및 밸브 보디 등에 사용되고 있습니다.

 

• AC4C
  AC4C는 주조성에 더해내식성 기계적 성질에도 뛰어난 합금입니다.
• 미션 경우나 컴프레셔 케이싱 등에 사용되고 있습니다.

 

• ACD10
  ACD10은 다이 캐스팅에 적합한 재료로 주조성·절삭성 기계적 성질에 뛰어나고 널리 사용되고 있습니다.
• 엔진의 실린더 블록 등에 사용되고 있습니다.

 

알루미늄과 각종 금속과의 차이

다음 표에서는 알루미늄과 다른 금속 재료의 특징을 비교하고 있습니다.
알루미늄은 비중이 작고 내식성이나 가공성이 뛰어나등 많은 뛰어난 성질을 나타내 사용하기 쉬운 재료입니다.

 

	（A5052）	（SS400）	（SUS304）	（C1100）
녹는점(℃)	649	1580	1400～1450	1083
비중	2.7	7.9	7.9	8.9
강도	△	〇	〇	×
내식성	◎	×	◎	〇
가공성	◎	〇	〇	〇
열전도성	◎	〇	△	◎
전기 전도성	◎	△	△	◎
자성	없음	있다	없음( 큰 힘으로 변형시키는 자성이 나타난다)	없음
저온 내성	◎	×	◎(오스테 나이트계 스테인리스 외에는 저온 내성 없이)	◎
안전성	◎	◎	◎	◎
용접성	△	〇	〇	×

정리

알루미늄은 강도나 경량성, 가공성이나 외형의 아름다움 등 많은 뛰어난 특징을 가진 재료입니다.

특히 그 높은 비강력에 따른 장점은 크고 앞으로도 폭넓은 제품에 사용되는 것입니다.

 

그러나 이점뿐만 아니라 주의점도 있습니다.

알루미늄 재료의 특징과 다른 금속 재료의 차이를 잘 이해하고 효과적으로 사용해 보세요.

 

 

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