알루미늄 2

[섬아기(양성익)]

 

알루미늄 합금에 대해

1. 알루미늄

김홍철 / muphy@technoa.co.kr

주기율표상에서 알루미늄의 위치
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이번 강좌는 최근들어 많은 관심을 얻고 있는 알루미늄 케이스 등에 사용되는 알루미늄의 특성과 그 상세한 종류에 대해서 알아보기 위해서 기획되었습니다. 얼핏 생각하면 테크노아가 가고 있는 방향에서 약간 벗어난 것일 수도 있지만, 계속 이어지는 알루미늄 케이스 및 기타 알루미늄 제품군의 리뷰와 많은 사용자들이 현재 사용하고 있는, 그리고 앞으로 사용할 알루미늄이라는 금속의 특성에 대해서 올바로 이해하는 것이 필요할 것 같아서 강좌로 싣습니다. 현재 알루미늄 제품군을 사용하고 계신 분이나 앞으로 사용할 분들에게 도움이 되기를 바랍니다. - 머피 -

알루미늄

영국의 화학자 H. 데이비
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알루미늄이라는 금속은 알루미늄이라는 이름은 백반(白礬)에서 유래한다. 즉, 백반 속에 금속원소의 산화물이 존재한다는 것은 이미 1754년 독일의 A.S.마르크그라프에 의해 확인되었으나, 영국의 H.데이비는 이것에서 금속을 얻을 수 있다고 하여, 그 금속을 백반의 라틴어인 almen을 따서 알뮴(almium)이라 명명하였다. 그 후 금속원소로 확인되어 알루미늄이라고 부르게 되었다. 1827년 독일의 F.뵐러가 처음 금속으로 분리하였다. 알루미늄의 공업화는 55년 전기분해에 의해 금속을 얻는 방법을 발견한 프랑스의 H.E.생트 클레르 드빌에 의해서 시작되었으며, 66년에 프랑스의 P.L.T.에루 및 미국의 C.M.홀에 의해서 독립적으로 대량생산이 가능한 전기분해 제조법(에루-홀법)이 발명됨으로써 오늘날의 경합금시대의 기초가 마련되었다. - 두산세계대백과사전 EnCyber에서 -

알루미늄이라는 금속이 컴퓨터에 본격적으로 적용되기 시작한 것은 CPU용 쿨러가 급속도로 보급되면서부터이다. 열전도성이 좋으며, 무게가 가볍고, 다른 금속보다 약간 무르다는 성질을 가지고 있기 때문에 히트싱크에 사용되기에 매우 좋다.

그러나 최근 들어서는 히트싱크 뿐만이 아니라 케이스에도 널리 보급되고 있으며, 하드랙이나 기타 용도 등 컴퓨터 관련 전반으로 확산되고 있다. 이러한 추세는 시스템이 점차적으로 무거워지고, 많은 발열량을 가지게 되면서 이를 해결하기 위한 대책으로 선택되는 것으로써, 보다 가볍고 열전도성이 철에 비해서 월등하다는 특성이 그 큰 이유가 된다.

한편, 알루미늄은 첨가되는 이물질의 종류와 그 함량에 따라서 그 특성이 크게 달라지며, 그래서 많은 부분에서 알루미늄 자체보다는 합금의 형태로 많이 사용된다. 이번 강좌에서는 이러한 합금의 종류와 그 특성을 알아본다. 

2. 합금의 종류

알루미늄 합금의 종류

알루미늄 합금은 크게 여덟가지로 분류되며, 이는 알루미늄 재질등급이라는 이름을 가진다. 4자리 숫자로 분류되며, 첫자리의 숫자는 가장 많이 함유되어 있는 이물질을 나타낸다. 이들을 분류하면 아래와 같다.

첫자리 숫자	원소기호	원소
1	Al	알루미늄
2	Cu	구리
3	Mn	망간
4	Si	실리콘(규소)
5	Mg	마그네슘
6	Mg-Si	마그네슘-실리콘
7	Zn	아연
8	Other	기타 금속류

여기서, 첫자리가 1인 금속은 99% 이상이 알루미늄으로 구성된 금속을 의미한다. 대개의 합금의 목적이 알루미늄의 특성상 무른 성질을 보완하고, 대기중에서의 부식을 방지하고자 하는 것이다. 그래서 구리나 크롬 등의 금속이 포함될 경우 경도가 강화되며, 그 경도가 철과 유사할 정도로 강한 알루미늄 합금을 듀랄루민이라고 부른다.(듀랄루민에 대해서는 말미에 자세히 소개하겠다.)

등급번호	첨가금속(원소기호), 단위는 %							용도
	Si	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	기타
1100		0.12					Si 1%, Fe 다량	금속박판, 주방용기
1350							기타 0.5% 정도	전도물질
2008	0.7	0.9		0.4				자동차용 금속판
2014	0.8	4.4	0.8	0.5				비행기 외부, 트럭 프레임
2024		4.4	0.6	1.5				비행기 외부, 트럭 휠
2036		2.6	0.25	0.45				자동차용 금속판
2090		2.7					Li 2.2, Zr 0.12	비행기용 금속
2091		2.2		1.5			Li 2.0, Zr 0.12	비행기용 금속
2219		6.3	0.3				V 0.1, Zr 0.18, Ti 0.06	우주선용 금속, 용접가능
2519		5.9	0.3	0.2			V 0.1, Zr 0.18	군사장비, 우주선용 금속, 용접가능
3003		0.12	1.1					일반적 용도, 주방용기
3004			1.1	1.0				일반적 용도, 금속 캔
3105			0.6	0.5				건축자재
5052				2.5	0.25			일반적 용도
5083			0.7	4.4	0.15			내열/내압용기
5182			0.35	4.5				금속 캔, 자동차용 금속
5252				2.5				차체 외장용
6009	0.8	0.33	0.33	0.5				자동차용 금속판
6010	1.0	0.33	0.33	0.8				자동차용 금속판
6013	0.8	0.8	0.5	1.0				우주선용 금속
6061	0.6	0.25		1.0	0.20			일반적 목적
6063	0.4			0.7				일반적 목적, 사출형성
6201	0.7			0.8				전도물질
7005			0.45	1.4	0.13	4.5	Zr 0.14	트럭 차체, 열차
7075		1.6		2.5	0.25	5.6		비행기용 금속
7150		2.2		2.3		6.4	Zr 0.12	우주선용 금속
8090		1.3		0.9			Li 2.4, Zr 0.12	우주선용 금속
* Si : 실리콘(규소), Cu : 구리, Mn : 망간, Mg : 마그네슘, Cr : 크롬, Zn : 아연, Fe : 철, Li : 리튬, V : 바나디움, Zr : 지르코늄, Ti : 티타늄

주요 가공합금의 구성은 위 표에 나온바와 같다. 각각의 합금이 가지는 성질은 그 구성 금속 및 함량 및 뿐만 아니라 가공방법에 따라서도 크게 달라진다. 예를 들어서, 변형을 매우 쉽게 만들고자 한다면, 금속을 높은 온도에 노출시킨 후, 이것을 천천히 냉각함으로써 연한 성질을 얻을 수 있다. 3000 계열 및 5000 계열 제품군은 상온에서의 작업하면서 전성을 늘림으로써 강화된 것이며반면, 2000, 6000, 7000 계열은 합금의 주요 요소들을 급속히 냉각시키는 열처리를 통해서 가장 뛰어난 강성을 가지도록 만들어졌다.

* 참고 : 알루미늄합금은 전신재와 주물, 다이캐스팅 합금으로 나누거나 열처리합금과 비열처리합금으로 분류한다.
비열처리합금은 1000계, 3000계, 4000계, 5000계이며, 열처리합금은 2000계, 6000계, 7000계이다.


각 합금의 특징

알루미늄-망간 합금은 가장 오래되었지만, 가장 널리 사용된다. 이것은 이 조합이 높은 강성을 가지면서도 다루기 쉽고, 부식에도 강하기 때문이다. 알루미늄 캔의 몸체는 재질등급 3004번의 합금으로 만들어진다. 재질등급 3003번의 합금은 냉동식품의 용기에 사용된다. 이것은 알루미늄이 높은 자외선 반사능력을 가지고 있기 때문이기도 하다. 3004번이나 3015번 등은 건물의 외장재나 농장의 지붕에 사용되는 슬레이트의 재질로 사용된다. 알루미늄으로 만들어진 주방용기나 연통 등도 역시 3000번대의 합금으로 만들어진다.

일루미늄-마그네슘 합금은 재료등급 3000대의 합금보다 강하며, 형태를 만들어내기가 쉽고, 부식에도 더 강하다. 또한 용접이 가능하다. 5182번 합금은 알루미늄 캔의 뚜껑에 사용된다. 5005번과 5083번, 그리고 5052, 5056, 5086번 및 그 변종들은 전기설비, 각종 주방용기, 금속판, 내압용기, 전파송신탑, 용접구조물, 보트, 화학물질 저장고 등에 널리 사용된다. 방충망, 못 및 고정기구 등은 대개 5000대의 합금으로 만들어진다.

알루미늄-망간-규소의 합금은 열처리를 통해서 고른 Mg₂Si 분자를 형성하고, 이로써 강도를 이끌어낸다. 가장 많이 사용되는 6000대의 제품군은 6063을 사용한 사출물이나 6061을 사용한 금속 박판 및 금속판, 단조제품, 사출제품 등이다. 6063을 사용한 사출물은 방풍문, 창틀, 배관 등등의 잡다한 건축자재로 널리 사용된다. 6061 제품군은 가구나 파이프, 높은 신뢰도를 요하는 구조 등 높은 내부식성을 가지는 용도 뿐 아니라 트럭, 보트, 열차 등 교통설비 분야에도 사용된다. 뛰어난 광택을 가지며, 또한 급랭공법을 통해 강화된 6061 합금은 매우 가볍기 때문에 자동차 등의 휠에 사용될 경우 연료소모량을 절감해준다. 6201 합금은 전선을 위해 와이어 형태로 만들어지는 것이 적합하다고 밝혀져 있다. 새로운 6000대 합금 중에서, 6013은 항공기의 구조물을 제조하는데 좋다. 이것은 밀도와 강도를 가지며, 다루기도 쉽고 내부식성도 뛰어나다. 또다른 6000 계열 합금인 6009와 6010은 높은 중량대 경도비를 가지고 있어서 자동차의 후드와 윗 지붕을 만들면 연료절감에 도움이 된다.

알루미늄-구리 합금은 3000, 5000, 6000 계열들보다도 더욱 뛰어난 강도를 가지지만, 내부식성은 약한편이다. 2014번 합금을 사용한 단조물은 교통수단을 제조하는 업계에 널리 적용되어 있으며, 2024 합금을 사용한 금속 박판이나, 금속판, 사출물 등은 비행기의 동체의 대부분에 사용되며, 민간기나 군용 수송기 등의 날개에도 역시 일부 사용된다.(2024 합금으로 만들어진 금속판은 대다수의 상용기의 동체에 사용될 때, 내부식성의 향상을 위해 알루미늄이 얇게 입혀진 형태로 사용된다.) 새로운 알루미늄-구리 합금은 리튬이 함유되어 있으며, 낮은 밀도라는 장점을 가진다. 이는 군사용으로 먼저 사용되었으며, 이후 민간기에도 사용되고 있다. 망간이 포함되지 않은 합금은 2219는 우주선을 위한 연료탱크나 산소탱크에 사용되는데, 이는 용접이 가능하고, 높은 온도 뿐만 아니라 극저온에서도 높은 강성을 가지기 때문이다. 2036번, 2038번 합금은 자동차에서 후드나 윗 천장, 문짝 등을 고정시키는 부분에 사용된다.

알루미늄-아연-망간 합금은 가장 뛰어난 강성을 갖는다. 구리가 들어있지 않은 합금인 7005번은 용접이 가능하며, 우수한 내부식성을 가지기 때문에 육상수송기기 업계에 많이 사용된다. 7000번 계열 중에서도 가장 강한 것은 구리를 함유하고 있는 것이며, 이들은 용접이 불가능하다. 이들은 주로 항공기 업계에서 사용되는데, 이들이 가지는 매우 높은 중량당 강도비 때문이다.(이 때, 각 구조물의 연결부위는 리벳으로 연결되기 때문에 용접이 불가능해도 상관없다.) 7075번 합금은 1950년대부터 고강성을 가지는 알루미늄 합금의 대표주자였다. 1970년대에 스트레스와 부식으로 인한 손상에 대한 보다 강한 저항성을 확보하고 표면이 부식으로 인해 얇게 벗겨지는 것을 막기 위해서 이 합금에 새로운 금속이 첨가되었다. 이렇게 변형된 새로운 합금은 강성과 파열성에서 조화를 이루었다. 1970년대에 개발된 7050 합금은 스트레스나 부식에 대한 높은 저항성 뿐만 아니라 강인한 강성을 가지고 있어서 군용기의 격벽 및 기타 부위에 많이 사용되었다. 보다 강인한 성질을 가지는 7150은 1980년대 초에 개발되었으며, 일반 민간기 주익의 윗부분에 사용되었고, 이 금속의 강도를 유지하면서 강한 내부식성도 가지도록 고안된 새로운 합금이 1980년대 후반에 개발되었다.

알루미늄-실리콘 합금은 이 합금이 녹았을 때 다량의 실리콘으로 인해서 큰 유동성을 제공해 주기 때문에 전선 등의 금속을 땜질 할 때 사용된다.

* 참고

1000계는 타 합금재에 비해 기계적 강도는 나쁘지만 내식성 및 빛의 반사성, 전기 및 열 전도성이 좋고 가공성, 용접성도 우수하다.

2000계 중 Al-Cu계는 내식성이 나쁘기 때문에 내식성을 개선하기 위해 순Al을 압연한 Clad재를 사용한다.  Al-Cu-Mg계 합금은 상온시효성이 좋으며 두랄루민(2017)은 강도가 강철 수준이다. 2000계는 용접성 및 브레이징성이 나쁘기 때문에 용접용으로 사용하지 않고 기계부품이나 항공기기, 광학부품 용으로 많이 사용한다. 그러나 Cu를 다량 함유한 2219는 용접이 가능하다.

3000계는 비열처리계지만 냉간가공에 의한 다양한 성질을 얻을 수 있다. 성형성과 내식성이 순Al과 동등하지만 Al보다 강도가 약간 높고 용접성이 양호하다.

4000계는 Si를 12%이상 증가시킴에 따라 융점이 저하되지만 취화하지 않는 범위내에서 Si를 첨가하면 용융상태에서의 유동성이 좋아지고 응고 시 균열이 잘 발생되지 않는다.  주로 용접재료, 브래이징 재료, 주물재, 빌딩 외장재 판넬이 많이 사용한다.

5000계는 Mg 첨가량에 다라 인장강도가 증가하고 변형에 대한 저항도 증가하게 되나 가공성이 저하되는 문제가 발생한다.  Mg 양이 5% 이상 함유되면 응력부식이 발생하게 되기 때문에 Mn, Cr 양을 첨가하여 방지한다.
2083재료는 비열처리 합금으로는 강도가 가장 우수하며, 용접성 내식성 가공성이 양호하여 차량, 선박, 화학 플랜트, 저온액화가스설비, 가드레일, 육교 등에 사용된다.

6000계 합금은 성형가공성과 강도 내식성이 우수하며 용접성도 그다지 나쁘지느 않지만 용접무가 용접 열에 의해 연화되는 단점이 있다.  6061은 파양, 건축 등의 구조용재로, 6063은 건축용 샤시, 6N01은 대형용접용으로 펄도차량, 선박용으로 사용된다.

7000계는 Zn이 주 첨강원소이고, Mg는 소량 첨가된다. 인장가도가 300MPa로 용접성이 우수하고 주로 용접구조재로 사용된다. 상온의 시효성이 우수하여 용접 열에 의해 저하된 연화부(경도저하)가 용접 후 시간 경과에 따라 원래 상태로 스스로 복귀한다는 특징이 있다.  7075합급 (Al-Zn-Cu)은 초두랄루민계로 항공기 등에 사용되고 T6 열처리를 하면 Al 합금중 최고의 인장강도(570MPa)를 갖게 된다. 하지만 용접의 균열감수성이 높아 주의해야 한다.

3.두랄루민(듀랄루민)

두랄루민

두랄루민은 알루미늄 합금의 꽃이라고 해도 과언이 아니다. 두랄루민의 종류는 여러가지가 있는데, 그 특성에 따라서 자동차에서부터 비행기, 우주선 등에 널리 사용된다. 이것은 알루미늄으로써 가지는 경량, 내부식성 등의 장점과 더불어 철에 버금가는 높은 강도 등을 가지고 있기 때문이다.

두랄루민은 1906년 9월 독일인 A.빌름이 발명하였으며, 그가 소속된 뒤렌(D ren)금속회사의 이름과 알루미늄을 따서 두랄루민으로 명명하였다. 그 후 각종 새로운 강력합금이 발명되었다. 알루미늄 합금의 계열은 크게 두가지로 갈라지는데, 알루미늄과 구리-마그네슘, 아연-마그네슘을 혼합한 두랄루민계가 그 하나이며, 다른 하나는 부식에 대한 저항력이 강한 내식성 합금인 알루미늄-망간, 마그네슘, 마그네슘-규소계이다. 앞 페이지에서 설명한바와 같이 두랄루민은 다른 합금에 비해서 내부식성은 떨어지지만 보다 강한 강성을 가지고 있다.

여기서, 두랄루민도 세가지로 구분되는데, 일반적인 두랄루민, 그리고 초(超) 두랄루민, 초초 두랄루민이 그것이다. 이들은 시효경화성을 가진다. 시효경화란 두랄루민을 500∼510℃ 정도로 가열한 후 물속에서 급히 냉각시키면 매우 연한 상태가 되는데, 이것을 상온에 방치했을 때 시간이 경과할수록 경화되는 현상을 말한다.

시효경화가 상온에서 일어나면 강도는 철(鐵, Fe)와 유사한 정도가 된다. 이 때의 비중은 2.7이어서 철의 비중의 1/3에 불과하며, 이러한 중량당 강도 비가 대단히 우수하기 때문에 비행기의 재료로 널리 사용된다. 두랄루민이 비행기 재료로 사용된 후 두랄루민의 개량은 비행기의 발달을 촉진시켰으며, 빌름의 두랄루민보다 강력한 초두랄루민이 여러 종류 개발되었다. 초두랄루민 중에서 오늘날 사용되는 재질등급 2024의 듀랄루민은 미국에서 개발한 것으로, 빌름이 발명한 두랄루민보다 마그네슘이 1% 정도 많으며, 인장강도(引張强度)는 빌름의 것보다 20% 정도 높아 항공기 바깥면의 재료로서 사용된다. 초초두랄루민 중 ESD는 1930년대 말에 일본에서 연구 개발된 것이다. 8%의 아연, 1.5%의 구리, 1.5%의 마그네슘을 가하여 아연이 섞여 있는 합금의 결점인 응력부식(應力腐蝕)을 크롬과 망간을 0.25% 가하여 방지한 것이다. 7075라고 하는 미국에서 발명된 재료는 이것과 같은 계열의 합금이다.

초초두랄루민 등은 항공업계에서 널리 사용되어서 오늘날의 항공기에 사용되는 재료의 무게 중 약 50~70%는 알루미늄으로 이루어졌다고 보면 된다. 무게의 감소는 인공위성이나 우주선 등의 비행체에서는 더욱 중요해지는데, 이는 자체중량의 감소는 곧 연료의 감소, 즉 발사비용의 절감으로 직결된다.

컴퓨터 분야에서의 두랄루민 및 알루미늄 합금

두랄루민이 가지는 높은 중량당 경도비는 최근에 컴퓨터 쪽에도 적용되고 있다. 비단 두랄루민 뿐만 아니라 고강성을 가지는 알루미늄 합금들 역시 그 대상에 들어가고 있는데, 바로 시스템의 고온화와 모바일 기기의 급속한 보급 때문이다.

최근의 시스템들은 보다 빠른 속도를 얻기 위해서 많은 에너지를 소모한다. CPU의 클럭 주파수와 소모전력이 정비례한다는 것은 이미 널리 알려진 것이며, CPU에서 발생되는 열량을 방출해주기 위해서 다시 냉각팬 등의 전기기기가 필요해진다. 그래픽카드나 각종 칩셋들 역시 고클럭으로 인한 높은 발열량을 가지게 되었으며, 하드디스크 드라이브들 역시 높은 RPM으로 인한 고온화를 피할수가 없다. 이러한 변화는 시스템의 중요도에 '뛰어난 방열능력'이라는 새로운 명제를 제시했고, 이의 해결을 위해서 알루미늄 합금 재질의 케이스가 등장하고 있는 것이다. 알루미늄 합금으로 이루어진 케이스는 그 자체로써 뛰어난 열전도성을 가지므로 시스템에서 발생되는 열을 밖으로 빼내주기 유리하다. 또한 매우 가볍기 때문에 케이스가 어느정도 커져도 일반적인 철제 미들타워 케이스 정도의 무게만을 가진다. 알루미늄 특유의 내식성으로 인해서 긴 수명을 가진다는 것도 장점중의 하나이다.

모바일 기기에서는 방열능력보다는 역시 무게라는 면에서 바라보아야한다. 이미 소니사의 바이오를 비롯한 몇몇 제품의 외장재에는 두랄루민이 적용되어서 뛰어난 강성을 자랑한다. 그러면서도 서브노트북 다운 가벼운 무게를 가지고 있다. 모바일 기기라는 것은 사용자가 들고다니는 것이기에 중량의 절감이 필연적이며, 강성을 희생하지 않으면서도 중량에서의 이득을 얻을 수 있는 두랄루민이 모바일 기기에 선택되는 것은 당연하다고 하겠다.

이러한 추세는 점점 더 심화될 것으로 보인다. 시스템의 고온화와 모바일 기기들의 경량/고강성화를 위한 노력 등은 알루미늄 합금의 사용빈도를 더욱 늘여나갈 것이기 때문이다.

[김희라]

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[허수(김종수)]

섬아기님 오기세요 ㅋㅋㅋㅋ...^^

[섬아기(양성익)]

copy 를 해서 하는데 문제가 발생 합니다. 혹시 관리자 모드 에서 쉽게 변경 가능 하면 자료실로 변경 시켜 주세요... 그럼 감사 하겠습니다.

[보리가실]

보통 자동차용 알루미늄 휠은 356계열를,, 방산품 장갑차 보기륜은 2014계열...항공기 부품은 60계열을....알루미늄 샷시는 40계열을 많이 사용합니다...미국 알코아사에서 만드는 트럭용 알루미늄 휠은 (열간단조 공법)으로 50계열을 사용합니다...국내에서 제조하는 트럭용 알루미늄휠은 30계열.(제조공법이 다릅니다)...

[섬아기(양성익)]

혹시 계열에 열처리에 따라 쓰임새가 다르게 될수 있다는 뜻인지요..?