금속 가공에서 흔히 쓰이는 가장 가벼운 금속의 특징 해설

금속 가공에서 흔히 쓰이는 가장 가벼운 금속의 특징 해설

가벼운 금속이라 하면 여러분은 어떤 금속을 떠올릴까요?

새시에 이용되고 있는 알루미늄, 

노트북 컴퓨터의 케이스에 사용되고 있는 마그네슘이 가장 먼저 생각날 지도 모릅니다.

항공기 재료로 널리 알려진 티타늄도 가벼운 이미지가 있습니다.

 

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가벼운 것이 에너지 절약으로 이어지는 현재 

이 3개의 가벼운 금속의 용도는 확산되면서 수요가 높아지고 있습니다.

그러나 지금까지 가벼운 금속을 다룬 적이 없는 분들 중에는

"제품에 가벼운 금속을 쓰고 싶지만 어떤 금속이 좋은지 모르겠다..."
" 가볍게만 아니라 강도도 높은 금속을 알고 싶습니다."

같은 의문점을 가지시는 분들도 계실겁니다.

그래서 이번 포스팅에서는 가벼운 금속의 대표인

알루미늄·마그네슘·티타늄을 금속 가공에서 사용 시

흔히 쓰이는 특징을 해설하고 있습니다.

 

 

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가벼운 금속 3개와 그 특징[금속 가공에서 흔히 쓰이는 금속]

3개의 가벼운 금속으로 대표적인 알루미늄·마그네슘·티타늄은 

경도의 차이가 존재합니다.

 

알루미늄, 마그네슘은 연질 금속 티탄은 경질 금속으로 분류됩니다.

이 경도의 지표는 변형하기 어렵거나 상처에 대한 내성을 나타냅니다.

 

그러나 알루미늄은 용도에 의해서, 

마그네슘은 대부분의 경우 합금으로서 이용하기 때문에 

희망에 따른 강도의 합금을 찾아낼 수 있습니다.

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알루미늄 합금의 종류와 특징에 대하여

알루미늄은 가벼운 금속이지만 연해서,

동과 망간, 규소, 마그네슘, 아연 등과 합금으로 하여 사용하는 일이 많은 금속입니다.

알루미늄 합금의 종류는 엄청나지만, 

프레스, 단조, 압출 성형용 전신재와 주조용 주조제로 나누어집니다.

알루미늄 합금은 가해진 원소의 차이에 의해서 한층 더 분류되어 

전신재는 1000번계에서 8000번 계열로 분류되고 있습니다.

주조제도 첨가 원소의 차이에 의한 분류되고 있는데, 

여기에서는 금속 가공의 대상이 되기 쉽게 전신재로서 소개하겠습니다.

 

1000번 계(순 알루미늄)
1000번 계는 99.0%이상의 알루미늄 순도를 가진 

알루미늄계 재료입니다.

순수 알루미늄은 부식에 강한 독성이 없기 때문에 

알루미늄 박이나 알루미늄 캔, 1엔 동전 등 주변의 것에 많이 이용되고 있습니다.

 

도전성 및 열 전도성도 뛰어나기 때문에 

구리의 대체 재료로 전선 등에도 활용되고 있습니다.

 

그러나 강도가 낮아 구조재에는 적합하지 않습니다.

또 순수 알루미늄은 알루마이트로 불리는 처리를 실시함으로써, 

그 표면에 양극 산화 피막이라는 내식성이나 내마모성이 높은 산화 피막을 형성할 수 있습니다.

이를 이용하여 항공기의 피복재로도 이용되고 있습니다.

가공성과 용접성에도 좋으며, 단조, 압연, 프레스 성형, 절삭 등 

여러 가공 법에 대응하고 있습니다.

 

다만, 강도가 낮아 절삭 가공시의 부스러기에서

상처 입는 일이 있으므로 주의가 필요합니다.

 

2000번 계(Al-Cu계 합금)
2000번 계열은 주로 구리를 많이 첨가한 

구리계 알루미늄 합금입니다.

강재에 맞먹는 높은 강도를 나타내는 항공기용 물질도 구리계에 포함됩니다.

그러나 부식하기 쉬운 구리를 포함하기 때문에 내식성은 저하합니다.

절삭성은 순수 알루미늄계 재료와 변함 없이 비싸지만,

 용접성은 낮아 용접 균열이 발생하기 쉽습니다.

 

3000번 계(Al-Mn계 합금)
3000번 계열은 주로 망간을 많이 가한 

망간계 알루미늄 합금입니다.

망간계는 내식성을 유지한 채 강도를 약간 향상시킨 합금입니다.

알루미늄 깡통 등 예전에는 순수 알루미늄을 쓰던 제품 대신 쓰고 있습니다.

가공성은 순 알루미늄과 거의 바뀌지 않습니다만,

프레스 가공에 의해서 성형함이 많습니다.

4000번 계(Al-Si계 합금)
4000번 계열은 주로 규소(실리콘)을 많이 가한 

규소계 알루미늄 합금입니다.

규소계는 실리콘 첨가에 의한 내열성이나 내마모성이 개선.

열 팽창률도 작기 때문에 피스톤이나 실린더 헤드 등에 사용되고 있습니다.

 

5000번 계(Al-Mg계 합금)
5000번 계열은 주로 마그네슘을 많이 첨가한 

마그네슘계 알루미늄 합금입니다.

마그네슘계는 내식성이나 가공성을 유지한 채 강도나 용접성을 향상시킨 합금입니다.마그네슘 함유량이 많은 것에는 강도가 매우 높은 합금도 있다, 차량이나 선박의 용접 구조재로 사용됩니다.

강도와 내식성·가공성·용접성의 균형이 뛰어난 것에서, 용도가 넓은 금속 가공의 대상으로 해도 주요 재료입니다.

 

6000번 계(Al-Mg-Si계 합금)
6000번 계열은 주로 마그네슘과 규소를 많이 첨가한 

마그네슘·규소계 알루미늄 합금입니다.

이 합금계는 강도와 내식성이 양호하고, 

차량이나 선박 등의 구조재에 이용되고 있습니다.

압출 가공성에 뛰어나기 때문에 건축용 새시로 사용되고 있습니다.

 

7000번 계(Al-Zn-Mg계 합금)
7000번 계열은 주로 아연과 마그네슘을 많이 첨가한 

아연, 마그네슘계 알루미늄 합금입니다.

알루미늄 합금 중 가장 강도가 높아 항공기에 사용되는

초 듀랄루민은 7000번 계열에 속합니다.

용접성이 높은 종류의 합금도 있고 용접 구조재에 이용되고 있습니다.

 

8000번 계(기타의 합금)
8000번 계열은 이상에서 언급한 합금계에 포함되지 않는 

기타 재료로 구성된 알루미늄 합금입니다.

저밀도적이고 강성 재료로 개발된 Al-Li(리튬)계 합금 등이 있습니다.

 

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마그네슘 합금의 종류와 특징에 대하여

마그네슘은 실용화된 금속 가운데 가장 가벼운 금속입니다.

대부분은 알루미늄, 아연, 망간 등을 추가하고 마그네슘 합금으로 사용됩니다.

구체적인 용도로는 스티어링 휠, 노트 컴퓨터, 스마트 폰, 자동차나 

항공기 부품 등이 꼽혔으며 주로 경량화를 목적으로 사용되고 있습니다.

 

 

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마그네슘의 특징

마그네슘은가볍고 강한 것의 지표가 된 비강력(강도/밀도)이 

철이나 알루미늄보다 우수합니다.

 

그래서 제품의 마그네슘 사용량을 늘리는 만큼 가볍고 강한 제품입니다.

또, 진동 흡수성이 뛰어나기 때문에 운동성이 높은 부품의 

진동을 흡수하고 기계 수명을 늘릴 수 있습니다.

마그네슘은 철이나 알루미늄보다, 부닥쳤을 때의 충격이 작다는 특성도 가지고 있습니다.

 

그 때문에 마그네슘을 사용하고 있는

노트북 컴퓨터나 디지털 카메라는 충격에 강한 특성을 갖습니다.

뛰어난 치수 안정성이 마그네슘의 이점입니다.

 

마그네슘은 100℃ 이하에서는 거의 변하지 않고, 

150℃을 유지하기 위해서 100시간 가열해도 치수의 변화량은 불과 6×10^-6mm입니다.

마그네슘은 열 전도성과 방열성, 전자 차폐성도 뛰어납니다.

또 재사용 비용도 낮고 재생에 필요한 에너지는 신규 생산 시 4~5%정도입니다.

 

마그네슘 가공성
마그네슘은 절삭성이 뛰어납니다.

절삭성의 지표가 되는 절삭 저항은 마그네슘을 1.0으로 하면, 

알루미늄이 1.8, 쇠는 6.3이 됩니다.

그러나 성형은 원 사이에 실시할 필요가 있습니다.

마그네슘은 실온에서의 소성 가공이 어렵고 연성이 증가하는 300℃ 정도로

압연, 풍채에 의한 성형은 어렵습니다.

 

다만 열간 가공성은 알루미늄에도 뒤지지 않습니다.

마그네슘의 결점
마그네슘의 흠으로 발화하기 쉽다는 위험이 있습니다.

절삭 가공하기 쉬운 마그네슘지만 그 부스러기는 발화하기 쉽고, 

점화한 마그네슘에 물이 닿으면 심하게 연소합니다.

내식성에 난이 있습니다.마그네슘은 염소 이온이 생기는 환경, 

산과 이종 금속과 접촉한 상태에서 전식 작용에 의한 부식하는 일이 있습니다.

단 절연 처리나 표면 처리를 실시함으로써 이들의 부식 방지할 수 있습니다.

 

마그네슘 합금

마그네슘 합금도 알루미늄 합금과 마찬가지로 

주조용으로 전신용으로 분류됩니다.

전신용 합금은 아연과 알루미늄을 첨가한 Mg-AI-Zn계와 

아연과 지르코니아를 첨가한 Mg-Zn-Zr계가 주로 이용되고 있습니다.

이들 원소는 목적 재료 특성을 얻기 위해서 첨가되어 

알루미늄과 아연은 강도의 개량, 지르코늄은 결정 미세화에 의한 

열간 가공성의 향상을 도모하고 첨가되어 있습니다.

 

티타늄 합금의 종류와 특징에 대하여

티타늄은 경량으로 고강도, 내식성이나 내열성에도 좋고

인체 친화성(알레르기를 일으키기 힘든)도 높은 금속 재료로서

이상적인 특성을 갖고 있습니다.

 

티타늄의 특징

우선, 비중은 알루미늄과 마그네슘의 약 2배로 크지만 

철이나 구리와 비교하면 절반으로 작습니다.

다음에 강도지만 인장 강도는 철의 1.2배, 

알루미늄, 마그네슘·동과의 비교에서는 약 2배에 달합니다.

 

비강력은 마그네슘과 비교하면 작지만 

알루미늄·철·구리와 비교하면 높은 철의 2배 정도입니다.

또 금속 표면에 생성되는 이산화 티타늄은 매우 녹기 어렵고, 

해수 중은 백금과 동등한 내식성을 나타냅니다.

 

내열성도 뛰어나고 용융 온도는 쇠보다 높은 1668℃입니다.

또 이산화 티타늄의 높은 안정성에서 금속 알레르기를 일으키기 어렵고, 

인체 내의 뼈와 거부 반응을 일으키지 않고 결합할 수 있습니다.

티타늄은 순수 티타늄으로 있어도 이런 뛰어난 특성을 갖습니다.

 

그래서 액세서리와 스포츠 용품, 체내에 사용하는 의료 기구 등의 많은 민생품,

열 교환기 등 공산품에 이용되고 있습니다.

 

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티타늄의 가공성
티타늄은 강도가 높은 것 외, 열 전도율이 낮은 것 등에 힘입어

가공이 지극히 곤란한 금속으로 일컬어집니다.

절삭 가공에서 티타늄은 인장 강도가 높기 때문에

공구는 마모되기 쉽습니다.

 

또 열이 전달되기 어렵기 때문에 가공 열이 공구와

절삭물로 넘어가기 쉽고 공구가 닳어 버립니다.

 

영률도 작기(즉 휘어지기 쉽기)때문에,

가공 정도의 저하나 절삭물에 금이 생기는 것도 많아 가공을 더 어렵게 하고 있습니다.

 

피막되지 않은 티타늄 내부는 화학적으로 활성되어 있기 때문에

공구가 눌어붙기 쉽다는 점도 있습니다.

이외에도 내마모성이 낮아 부스러기가 발화하는 문제도 있습니다.

프레스 성형에서도, 티타늄의 경도가 너무 높아

가공이 너무 어렵습니다.

용접에 대해서도, 티타늄이 화학적으로 활성인 점에서 곤란합니다.

 

용접시에는 피막되지 않은 티타늄이 노출되어 대기와 반응하고 

경화· 메짐성이 발생하고 연성의 저하나 손실의 원인이 됩니다.

 

이를 방지하는 수단으로서는 티탄의 주위를 아르곤과 헬륨 등의 

불활성 가스에서 다른 금속의 용접 때 이상으로 제대로 차폐할 필요가 있습니다.

 

티타늄의 결점
티타늄의 결점은, 상술로 설명한 대로 가공이 어려운 일,

그리고 고가인 것입니다.

티타늄의 가공성이 떨어짐에 대해서는 설명했지만

합금이 되면 더욱 가공이 어려워집니다.

또 티타늄은 지구상에 풍부하게 존재하는 금속이지만,

정련하는 데 막대한 에너지를 필요로 하기 때문에 고가입니다.

티타늄 합금
티타늄의 합금은 대략 α형과 β형, α형과 β형의 중간 성질을 가진 α-β형,

백금족 원소를 첨가하여 내식성을 더한 내식 합금의 4가지로 나뉩니다.

α형은 고온에서 강도와 용접성, 강성이 좋으며, 

항공기 엔진이나 가스 터빈 등 고온에서 강도가 요구되는 부재에 사용됩니다.

β형은 성형성이나 가공성, 강도가 뛰어났으며 자전거의 기어나 

골프 클럽의 헤드 등 스포츠 레저 용품과 민생품에 사용되고 있습니다.

α-β형은 α형과 β형의 양쪽 성질을 물려받은 합금입니다.

 

또 α형과 β형으로 구성된 조직의 비율을 조정함으로써 

α형 또는 β형의 특성에 보낸 α-β형 합금을 만들 수 있습니다.

한편 내식 합금은 순수 티타늄 이상의 내식성을 갖고 있지만,

다른 성질은 거의 순수 티타늄과 동등합니다.

 

그래서 화학 장치와 석유 정제 장치 등의 부식하기 쉬운 부재에 사용되고 있습니다.

 

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정리

이상 가벼운 금속의 대표인 

알루미늄·마그네슘·티타늄에 대해서 소개했습니다.

알루미늄은 가볍고 부식에 강하고 가공하기 쉬운 금속이지만보다 

강도가 약하다는 결점이 있습니다.그

 

러나 합금으로 하는 것으로 강도를 향상시킬 수 있어 널리 이용되고 있습니다.

마그네슘은 실용 금속 중에서 가장 경량의 금속에서 비강력에 매우 뛰어납니다.

 

가공성도 비싸지만, 절삭 부스러기가 발화하는 리스크가 있기 때문에 

그 가공에는 노하우를 필요로 합니다.

티타늄은 경량이고 강도 높고 내식성이나 내열성도 뛰어난 이상적인 금속 재료입니다.

 

그러나 그 가공은 매우 어렵고 절삭 프레스 성형, 용접 등

각 공정에서 높은 기술을 필요로 하는 데 재료가 고가인 점을 고려해야 합니다.

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