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알루미늄의 작은 이야기
1. 알루미늄은 ?
철, 동은 기원전 5000~3000년 전 도구 류, 장신구로 사용되어 인류의 역사에 등장하기 시작된 데 반해서 알루미늄은 보이크사이트를 주원료로 제련되기 시작하여 최초 공업용 재료로 Foil, 판재, 주물류 등으로 발전되어 최근 가정용품에서 고층빌딩자재, 차량주요부품, 선박, 전기통신기기, 금속기계, 반도체산업에 이르기까지 용도 및 분야가 다양해져 양적으로는 철 다음으로 제2의 금속재료로 성장되었다. 기록에 의하면 한국은 1930년대 초 소량 가공 생산을 시작으로 1955년 수요는 대략 2000TON 이었으며 나아가 1984년은 87만 톤에 이르렀고 최근 2003년 소비동향은 400만 톤에 달했다.
이러한 수요의 급증은 1970년대 가전제품의 수요확대를 원동력으로 1980년대 주택보급급증으로 인한 건재수요, 자동차산업의 전분야에 수요가 급증하였다. 이런 현상으로 유추해보면 한 나라의 경제활동 및 산업성장은 국민소득과 더불어 알루미늄 생산과 소비량으로 국민생활 정도를 척도 할 수 있다고 해도 과언은 아니라고 본다. 하지만 우리나라는 알루미늄 원자재인 INGOT나 BILLET를 해외 산지 국에 의존하는 실정이며 원가 또한 LME 시세( London Metal Exchange)에 따라 가격 변동폭이 원유와 동일한 조건과 환경으로 알루미늄 1 TON 생산에 요구되는 전력은 16,000KW로 대부분 석유 및 화력, 원자력으로 이루어짐으로 제품의 가격이 철과 타 비철금속에 비해 높다. 알루미늄의 발전과 더불어 현대 첨단 산업에 응용할 수 있는 합금(ALLOY)의 개발과 적용은 광범위한 분야일 뿐 아니라 우리 회사도 오래 전부터 경원과 AZON이 기존의 확충과 더불어 최근 신규사업 분야에 응용하려는 기대는 크다고 본다.
2. 특징. 요약 1) 비중 : 알루미늄의 비중은 동, 철의 1/3로 항공기, 선박, 자동차, 건축 등의 경량화 및 다양한 형상화 2) 내식성 : 대기 중에 노출되어도 산화피막을 형성하며 내식성이 강함 3) 가공성 : 가공성이 풍부하여 판,성형,봉, 관,선, 형재 등 어떤 형태의 제품을 용이하게 제조할 수 있으며 특히 성형가공 및 절삭가공성이 우수하여 넓은 용도로 사용할 수 있음 4) 표면처리 : 무색 투명한 산화피막을 표면에 형성하여 아름다운 은백색의 금속광택을 유지시켜 내식성, 내마모성이 우수하다. 또한 착색, 자연발색, 전해발색 등의 방법으로 각종 원하는 색상의 재료로 가전용품, 장신구 뿐만 아니라 건축물의 내, 외장재료로 다양하게 사용되고 있으며. 5) 강도 : 합금의 종류, 재질에 따라 인장 강도는 7~60kg/㎟ (일반철판 41kg/㎟)로 변화가 커서 용도에 알맞은 재질의 선택이 넓다. 6) 저온특성 : 저온에서 강도는 상승하게 되고 초 저온의 온도 범위에 견디는 성질의 우수성으로 인하여 저온 PLANT 장치에 널리 사용된다. 7) 전기전도성 : 동의 약 60% 전도율로 동의 1/2 정도양의 알루미늄을 사용해서 동질의 전류를 통할 수 있기 때문에 송전선, 배전선 등에 적용하고 있다. 8) 열전도성 : 열전도성이 우수하여 열교환기, 엔진부품, 가정용품, 냉난방장치에 사용되고 있다. 9) 반사성 : 알루미늄의 표면은 광택, 열, 전파등이 반사되므로 난방기의 반사판, 조명기구, 표시판 등에 사용된다. 10) 비자성 : 금속은 전자기의 자장에 대부분 영향을 받지만 알루미늄은 자기를 발생치 않으므로 비자성을 필요로 하는 각종 전기기기에 사용된다. 11) 무독성 : 독성이 없고 식품류와 반응을 하지 않아서 식품 포장용기, 가전용기 물에 적합하다. 12) 재생 : 알루미늄의 재생은 다른 금속에 비해 쉽게 처리할 수 있고 가격 또한 높으므로 원자재를 유용하게 활용하게 되고 폐기물 처리가 없으므로 공해 및 환경에 기여한다.
3. 종류 알류미늄은 가볍고 연신율이 우수하여 용도에 따른 선택이 쉬우며 높은 강도의 재질 요구시 각종 원소를 가감하여 합금 제조가 용이하다. 합금은 판재, 형재, 관, 봉, 선, 주조품, 인장재, 금형주물, 다이캐스팅의 주물재로 활용도가 매우 높다. 알루미늄의 대분류는 아래와 같다.
* 압연재 1) 비열처리형 합금 순수알미늄 (1000계열) Al-Mn합금 (3000계열) Al-Si 합급 (4000계열) Al-Mg합금 (5000계열) 2) 열처리형 합금 Al-Cu-Mg합금 (2000계열) Al-Mg-Si 합금 (6000계열) Al-Zn-Mg합금 (7000계열) * 주물재 1) 비열처리 합금 순 알미늄 Al-Si 합금 Al-Mg합금 2) 비열처리 Al-Cu-Si 합금 Al-Cu-Mg-Si 합금 Al-Mg-Si 합금
위의 분류에서 열처리형 합금은 제조 생산 후 일정한 온도로 소둔(Tempering)이나 풀링처리(Annealing) 등 후가공으로 원하는 기계적 성질을 얻을 수 있으며 참고로 건축용 CURTAIN WALL 압출재는 6000계인 Al-Mg-Si가 주성분으로 요구되는 형태를 제조하기 위하여 Dies 나 Container를 통하여 Extrusion 된 상태로 약 200℃내외에서 1시간 정도 공냉 열처리하여 도장이나 피막처리 형상으로 AZON P/D 공정을 거친 재료 완제품을 기계 가공하여 요구되는 현장에 설치하게 되고 현재 큰 기대와 더불어 높은 증가추세인 Warm-Light 간봉은 Al-Mg 압연재인 3000계열로 3003-T16에 해당하며 강도는 압출재보다 약하다
4. 물리적 성질 알루미늄의 물리적 성질은 합금의 종류와 성질에 따라 다르며 통상적인 자료로는 밀도: 2.7g//㎠ (20℃) 전단탄성계수: 7000kg/㎟ 종탄성계수 : 7000kg/㎟ 선팽창계수 : 2.35x10-5 1/℃ Poisin비: 0.33
참고로 타 재료의 밀도를 살펴본다면 철(7.8) 동(8.9) 유리(2.5) 플라스틱(0.9~1.4)이며 종탄성계수는 재료의 강도와 힘과 관계되어 철은 2.1x106kg/㎟이다. 선팽창계수는 AZON CHEMICAL을 P/D 조합한 형재의 Shrinkage와 밀접한 관련이 있다. 상세한 내용은 아래와 같다.
순 알루미늄의 물리적 성질
5. 기계적 성질
알루미늄의 기계적 성질은 앞서 서술된 합금 및 열처리에 의해 결정됨으로 재료의 선택이 타 금속보다 용이하지만 후 처리에 의한 변화가 많아 적용 전 필히 적정 규정에 의한 재료시험과 재질시험이 뒤따라야 되므로 신중을 기해야 한다. 그런 요인으로 AZON에서 실시하는 Cycle Test나 EQA Program도 보완 확충하는 중요한 Process중 하나임을 재인식해야 하며 개인업무와 분장된 부서의 문제를 떠나 기술 및 관리상 중점점검 항목 중 하나이며 현재까지 제조과정에 수반되는 각 재료의 적정량과 1,2차 화학적 Test 결과 수치로 품질안정에 문제가 없는 것으로 판단하는 안이한 인식을 갖는다는 것은 위험한 생산,제조활동이 될 것이므로 세심한 주의가 요구되는 업무이다. 실험 설비 및 장비도 준 현대화시켜야 될 것이며 고가의 장비가 요구되는 Test는 외부나 AZON USA에 의뢰하여 정례화 시켜야 된다고 본다.
다음은 일반성질과 상식적인 자료를 요약해 본다. 알루미늄의 기계적 성질은 ① 합금의 종류 ②열처리 ③형태별 종류 에 따라 대별된다. 대체적으로 합금계열상 1000에서 7000계열로 나누어지며 수치가 올라갈수록 강도와 경도가 높으며 그 중 압출이나 압연 후 열처리 공정에서 강도가 최종 결정된다. Temper(열처리)는 합금번호 4자리 뒤에 오는 기호 T 숫자로 수치에 따라 강도가 높아진다. 참고로 우리나라에 알루미늄 압출기를 보유한 회사는 대략 50~60여개에 이른다. 2001년도 자료의 따르면 국내 압출기 보유량은 총 126대에 212,000Ton에 이르고 이중 국산 압출설비는 72대로 87,000Ton에 해당된다. 이 회사들이 한해 판매한 압출재 물량은 423,500Ton에 금액은 1조 2,840억에 매출이 집계되었다. 압출 형재의 크기와 규모의 척도가 되는 압출기는 최고 8000Ton에서 500Ton에 이르러 다양하며 통상 건축재는 1650Ton에서 2300Ton에 적합한 Billet 7”(압출합금재로 OD178mm,길이780~950)를 사용한다.
예를 들면 1)압출재 AL6063-T5는 압출 후 200도 내외 공냉으로 Mg-Si 재질을 강화시켜 인장 강도는 19.0kg/㎟이며 같은 계열인 AL6063-T6는 수냉으로 (Quenching) 인장강도 24.5kg/㎟로 약 30% 증가시킬 수 있으며 AL6061-T6는 29.5kg/㎟로 약 55% 증가된 강도를 요구할 수 있으나 반면 AL6063-T5를 100으로 볼 때 Si과 Mg의 광량증가로 압축성은 60으로 저하된다. 2) 압연재를 살펴본다면 우리회사의 제품 Warm-Light에 사용되는 AL3003 합금에 있어서 AL3003-T0의 인장강도는 11.0kg/㎟인데 반해 T16은 18.5kg/㎟이며 종래의 일반 알루미늄 간봉은 AL1050 재질로 인장강도는 5.5~7.0kg/㎟ 낮은 반면 Warm-Light는 Alum 복합 Forming구조로 타 제품보다 월등히 높은 강도로 제품의 차별화를 이룰 수 있다. 이때 강도와 내력은 T 수치가 올라갈수록 증가되는 반면 신율(Elongation)은 떨어진다.
6. 화학적 성질
알루미늄은 제조과정에서 자연스럽게 표면에 산화피막이 존재하지만 표면은 피막이 비교적 낮기 때문에 금속과 접촉시 증가하므로 보관관리가 중요하며 장기간 Mill Finish(백색알루미늄) 상태로 보관시 별도의 표면처리나 공기와 접촉을 피해야 한다. 아래는 공기중 소둔시 순도에 가까운 1000계열 알루미늄의 산화피막 두께이다.
7. 알루미늄의 구조적 해석
1) 서론 1960년대 중반 외국자본과 기술의 도입으로 우리나라도 차츰 건축 외장재에 알루미늄을 적용하는 사례가 증가하는 추세로 1970년 일반창호에 사용된 압출형재를 시작으로 알루미늄 산업이 진행된 이후 30여년을 지나면서 건축 금속 외장재 커튼월에 대한 인식이 보편화되고 있지만 아직도 건축주, 건설관계 종사자들은 알미늄 전문업계에 비해 커튼월의 소구설계,제작에 대한 중요성의 인지가 부족한 실정으로 전문 기술분야에서 기술을 정립하지 못하는업계가 발전하는데 어려움에 처해 있는 것이 사실이다. 고층빌딩은 증가추세에 있지만 제반 표준기술분야에서도 아직 미흡한 수준에 머물고 있다고 본다. 해를 거듭하면서 우리 회사도 설계 및 제작 그리고 구조에 대한 관심과 기술연마로 건축주 및 건설회사를 또 다른 차원에서 인식시켜 나갈 필요성이 강조된다.
2) 설계조건의 설정 금속 커튼월 중 알루미늄에 대한 구조의 중요도는 익혀 알고 있지만 세부 요소 설계까지는 많은 전문지식이 요구된다. 건축물의 위치, 형태, 형상, 지역의 특성, 바람의 속도압, 주변환경 등이 고려되어야 하며 우리나라는 해안지역, 평온지역, 대도시주변과 중심 그리고 해발기준면에서 건물이 위치하는 기준 경도를 450m~720m사이와 그 이하로서 대별하고 건축물의 형상에 따른 고층과 저층, 코너와 옥탑, 층간의 높이 등이 각종 조건 Factor로 작용된다. 일차 바람의 속도압 계수를 산정한 후 계산작업에 임한다. 참고로 내풍압 성능검토는 “건설교통부 고시 제 2000-153호의 제2조(적용범위)를 기준으로 실제 구조계산 및 하중 산정방식은 건축학회의 “건축물 하중기준 및 해설”에 의거 계산하지만 주요부재의 휨(Deflection)에 있어서 철골구조 경우 하중의 종류에 따라 장기 하중이나 교번하중 그리고 집중하중으로 구분하여 최대 l/450~l/300(L은 span의 길이)로 되어있으나 알루미늄 경우 l/175~l/150로 되어 1000mm Span(풍압받는 부재)최대휨이 8mm정도로 규정되어 있으며 Typical Curtain Wall에는 통상 층고 높이가 3200~3800으로 계산결과는 3800mm/175=21.7mm까지 휨이 허용되나 AAMA 규정에는 3/4”(19.05mm)를 초과해서는 안되게 되어있다. 이유는 알루미늄 압출재에는 필히 판재나 유리가 끼워져 있기 때문에 결국 알루미늄의 최대 휨 전에 유리나 Panel이 파손되므로 결국 유리의 최대 휨과 연관이 있다. 또한 일부 기능성이 요구되는 짧은 Span에는 1/60(Hardware장치,열림창)이하로 규정되어 진다. 우리나라 는 2003년 이전에는 지역적으로 풍속의 범위를 1962년 “사라호” 태풍 최대풍속 33.5m/sec를 기준으로 해안지역 및 제주지역을 35m/sec의 풍속을 두었으나 최근 “매미” 태풍 이후는 풍속을 높이 산정토록 요구하며 해안지역은 45m/sec이상으로 설정하고 있다. 풍하중의 산정에 있어서 우리나라에 비해 미국 규정은 대륙적인 지역 특성과 많은 자료의 집대성이 보여주듯이 매우 상세한 계산 방식을 경험할 수 있다. 참고로 풍하중의 계산과 방식을 익힐 자료는 주변에서 쉽게 접할 수 있지만 실제 응용하고 계산 결과를 이루기까지는 많은 관심과 훈련이 요구된다. 풍하중과 더불어 설 하중도 검토되어야 하며 알루미늄 Curtain Wall에서는 하중의 분석을 “정정보”구조로 보아 구조 계산된 결과치가 안전하다고 판단되어도 실제 건축물에 적용되는 창호는 “부정정보” 이므로 “Mock-up Test”나 풍동 실험으로 세밀한 검토가 되어져야 하며 금속 형재 중 알루미늄은 대단히 복잡한 구조형태로 요구되는 기능성과 강도를 유지하지만 기술 자료중 인장강도, 신율, 전단력, 탄성계수 등의 자료를 활용하여 가공, 조립현상을 반영하되 실제 설치 후 발생가능한 Factor의 적용에 세심한 검토가 뒤따른다. 각종 요소설계에 적용된 재료에 대한 형상별 안전계수(SAFETY FACTOR)의 적용도 매우 중요한 사항이다. 다음은 실제 계산에 필요한 사항들을 요약 열거해본다.
3) 기본 설계압(Design Criteria of Wind Pressure) ① 풍속에 따라 공기의 밀도 감안된 수치들 ② 지역별 적용 계수 산정 ③ 건물 형상별 계수 ④ 건물위치, 주변환경 계수
4) 풍상면에 정압(Positive Pressure)과 부압(Negative Pressure)을 동시에 설계압에 산정해야 한다.
5) 알루미늄 재질 및 형상에 따른 힘의 계수 및 안전수치(Aluminum Profile 계수) ① 참고자료: AAMA Book NO 20 Table 3. 3. 26 (AL 6063-T5 압출재) “Allowable Stresses for Building and Similar Type Structures” 소개된 자료에 의하면 압출재의 폭(W), 깊이(D), 형상에 따라 허용응력(allowable stress)의 기준 값이 달라진다. 또한 보(Beam), Span, 기둥(Column)등 힘을 받는 구조물에 따라서도 값을 다르게 적용함을 볼 수 있으므로 2차 극모멘트값(Moment of Inertia)중에서 중심 평위축(Section Geometay)의 변위폭과 변화된 축의 각도에 따라 산출된 값을 적용하여 단면계수(Section Modulus)산출해야 하며.이때 압출재의 X축,Y축간 중심이 거의 같은 부재가 강한재료지만 경제성을 고려 단면적 내의 균일한 두께를 고려한 형재 설계가 되어야 한다. ② 산정기본값 l 인장강도 (Tensile Strenqth) = 9.5KSI (6.7kg/㎟) l 허용인장응력 = 0.541FY (Yield Strenqth) l 허용전단응력(Allowable shear sires) : 10500PSI(7.4kg/㎟) l Wind load시 각종 알루미늄 재료는 Allowable Stresses를 1/3 증가값을 계산하며 최대 처짐(Maxium Deflection)은 앞서 기술한 내용과 같다.
6) 결론 제한된 지면에 상세한 자료 및 실제 계산례를 기술하기 어려워 내용 중 좀 더 자세한 사항은 보충자료 및 추후 연재하기로 하고 의문이나 잘못된 내용을 알려주시면 확인 후 바로잡겠습니다. 끝까지 지겹게 정독(?)해 주셔서 감사합니다.
조양제 / |
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출처: 건강한 삶을 위하여 원문보기 글쓴이: 너럭바위
