알루미늄이란 무엇인가? 재료 개요 및 설계 고려 사항

알루미늄 , 또한 알루미늄(aluminium)이라고도 함 알루미늄 , 은 철 기반 금속에는 없는 독특한 특성으로 인해 가장 널리 사용되는 비철금속입니다. 제품 설계 시 특성을 이해하고 적절한 등급, 가공 방식 및 열처리를 선택하는 것이 중요합니다. ’알루미늄의 다양한 종류와 특성에 대해 알아보겠습니다.

알루미늄의 주요 특성

알루미늄은 경량성, 강도, 내식성, 가공성, 높은 열전도성, 높은 전기전도성, 재활용 가능성, 비자성, 저온 저항성, 열과 빛의 반사성, 시각적 매력, 무독성 등의 우수한 특성을 갖추고 있습니다.

가벼운 무게

알루미늄은 비중(밀도)이 약 2.7로, 강철의 약 3분의 1 수준이다. 이와 같은 가벼운 무게는 운송 분야(항공기, 인공위성, 고속철도), 건설 및 전자 제품(휴대폰) 등의 산업에서 매우 선호되는 특성이다.

강하다

순수 알루미늄에 다른 금속을 합금하면 그 특별한 강도를 향상시킬 수 있다. 아연과 마그네슘을 첨가하여 열처리한 7000계열 합금은 뛰어난 강도를 나타낸다. 예를 들어 A7075(초고강도 두랄루민)은 항공기 부품에 널리 사용된다.

부식 저항성

알루미늄은 산소와 쉽게 반응하여 표면에 밀도 높은 산화피막을 형성하며, 이는 보호층 역할을 하여 부식을 방지한다. 이러한 뛰어난 내식성 덕분에 해양, 조선 및 건축 분야에 이상적이다. 해풍이 직접 닿는 지역에서도 30년 동안 사용했음에도 문제 없었다는 보고 사례도 있다.

사용 가능

알루미늄은 매우 가공성이 뛰어나 다양한 가공 방법에 적합합니다. 낮은 융점과 우수한 유동 특성 덕분에 주조에 이상적이며, 절단과 용접이 용이하여 알루미늄 호일과 같은 얇은 벽면 형상부터 복잡한 형상까지 다양한 형태를 만들 수 있습니다.

높은 열전도성

알루미늄 ’알루미늄의 열전도율은 철의 약 3배에 달하여 자동차 라디에이터, 열교환기 및 전자기기 냉각판에 이상적으로 사용됩니다.

우수한 전기 전도성

알루미늄은 동일한 무게의 구리보다 두 배 정도의 전류를 운반할 수 있습니다. 이러한 특성과 더불어 경량성은 전력 송전선에 매력적인 소재가 되게 하며, 탑 간 간격을 넓히고 비용을 절감하는 데 기여합니다.

재활용 가능

알루미늄은 장기간 사용 후에도 쉽게 열화되지 않으며 녹는 점이 낮아 사용 후 제품을 녹여서 재활용하기가 용이합니다. 알루미늄을 재활용하는 데는 새로운 제품을 제조할 때 필요한 에너지의 단지 3%만 필요하며, 재활용된 알루미늄의 품질은 신제품과 거의 동일합니다.

비자극성

알루미늄은 비자성체이며 주변의 자기장의 영향을 받지 않습니다. 이 특성 덕분에 포물선 안테나, 의료 장비, 자석 나침반 및 초전도 관련 제품에 적합합니다. 또한 금, 은, 구리와 같은 다른 비자성 재료에 비해 가격이 저렴합니다.

저온 저항성

액체 질소(-196 °F) 및 액체 산소(-183 °F)와 같은 극도로 낮은 온도에서도 알루미늄은 강도를 유지하거나 오히려 강도가 증가할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 저온 플랜트, LNG(액화 천연 가스) 탱크, 우주 탐사 및 생명공학 분야에 적합합니다.

열과 빛 반사성

알루미늄은 적외선, 자외선 및 전자기파를 반사할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 순도를 높이거나 미러 마감을 적용하면 반사율을 더욱 향상시킬 수 있어 난방 리플렉터, 우주복, 다각 프리즘 등에 적합합니다.

시각적으로 매력적임

알루미늄은 본래의 아름다움을 지니고 있으며, 아노다이징 처리와 같은 표면 처리로 그 미적 특성을 더욱 강화할 수 있습니다. 전해 착색을 통해 색상을 부여할 수도 있어 건축 외장재 및 포장 소재로 널리 사용됩니다.

독성이 없거나

알루미늄은 식품과 반응하지 않으며 무독성입니다. 섭취하더라도 99% 이상이 체외로 배출되어 토양에 해를 끼치지 않습니다. 따라서 식품 및 의약품 포장 용기, 의료 기기 등에 일반적으로 사용됩니다.

알루미늄 사용 시 고려사항

알루미늄은 많은 우수한 특성을 가지고 있지만, 다음과 같은 몇 가지 고려해야 할 점들도 있습니다.

강철에 비해 강도가 낮음

알루미늄은 우수한 비강도를 지니고 있지만 강도는 강철보다 낮습니다. 비행기 날개와 같은 부드럽고 유연한 구조에는 적합하지만 기어와 같이 높은 강도가 요구되는 부품에는 부적합할 수 있습니다.

부식 고려사항

알루미늄은 녹이 슬기 어렵지만 염분이 있는 환경이나 이종 금속과 접촉할 경우 부식될 수 있습니다. 부식을 방지하기 위해 아노다이징 처리가 필요할 수 있습니다.

높은 선형 열팽창 계수

알루미늄의 선형 열팽창 계수는 철계 재료의 약 두 배에 달합니다. 큰 열 응력을 받으며 반복적으로 가열과 냉각을 겪는 부품은 열피로 파손이 발생할 수 있습니다.

피로 한계 없음

철계 재료와 달리 알루미늄은 피로 한계가 없습니다 —금속 피로가 발생하지 않는 하한 응력 한계이다. 따라서 설계 시 사용 중 발생하는 변동 응력을 SN 선도와 비교하여 예상 제품 수명 동안 균열이 발생하더라도 강도 문제가 없도록 확인해야 한다.

용접이 어려움

알루미늄 ’알루미늄의 산화피막은 약 3632°F의 높은 융점을 가지므로 용접 전에 제거해야 한다. °또한 알루미늄은 열전도율이 높고 융점이 낮아 용접 시 열이 빠르게 모재로 전달되어 모재가 녹아내릴 수 있다. ’알루미늄 용접은 용접 토치 속도를 정밀하게 조절해야 한다. 최상의 결과를 얻기 위해서는 알루미늄 용접 실적이 입증된 업체를 활용하는 것이 바람직하다.

대표적인 알루미늄 종류

순수 알루미늄은 강도가 낮으므로 일반적으로 다른 금속을 첨가하여 합금을 만든다. 철, 아연, 마그네슘, 구리 등을 알루미늄에 첨가함으로써 다양한 종류의 합금을 제작할 수 있다.

산업용 알루미늄 재료는 최종 제품의 용도에 따라 압출 알루미늄 합금과 주조 알루미늄 합금으로 broadly 분류된다. ’압출 알루미늄은 소성 가공을 통해 처리할 수 있는 반면, 주조 알루미늄은 주물 제작에 사용된다. 여기서 압출 알루미늄 합금의 종류를 살펴보자. ’압출 알루미늄 합금

압출 알루미늄 합금

• 1050 알루미늄 합금

1050 알루미늄 합금(1050 AA)은 전형적인 순알루미늄 등급이다. 강도는 낮지만 성형성과 내식성이 뛰어나 장식품 및 전력 송전선에 적합하다.

• 2017 알루미늄 합금

2017 알루미늄 합금(2017AA), 두랄루민이라고도 하며, 내식성은 낮지만 강도가 높아 항공기, 자동차 및 기계 부품에 적합하다.

• 2024 알루미늄 합금

2024 알루미늄 합금(2024 AA), 슈퍼 두랄루민이라 불리며, 2017 AA보다 더 높은 강도를 제공한다.

• 5052 알루미늄 합금

5052 알루미늄 합금(5052 AA)은 뛰어난 내식성, 가공성 및 용접성을 갖추고 있어 가장 널리 사용되는 알루미늄 합금입니다. 프레임 재료 등에 사용되며 시트 금속 부품 .

• 6061 알루미늄 합금

6061 알루미늄 합금(6061 AA)은 우수한 내식성을 가진 알루미늄 합금입니다. T6 처리와 같은 열처리를 통해 내식성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

• 6063 알루미늄 합금

6063 알루미늄 합금(6063 AA)은 뛰어난 내식성과 표면 처리 특성을 가지며, 주로 알루미늄 사시 및 전기 부품과 같은 압출 제품에 사용됩니다.

• 7075 알루미늄 합금

7075 알루미늄 합금(7075 AA), 또는 초경알루미늄은 알루미늄 합금 중 가장 높은 강도를 가집니다. 항공기 분야에서 널리 사용되며, 전시 중 항공기 성능 향상에 크게 기여하는 등 항공기 제작에 핵심적인 역할을 해왔습니다.