(기계재료) 알루미늄 (Aluminum)

알루미늄의 가장 큰 특징이자 장점은 '가벼움'이다. 비강성, 비강도(질량대비 강성/강도)가 높아 사용성이 좋다. (물론 강도,강성의 절대치는 다른 금속에 비해 낮다.) 비중(밀도)은 약 2.7g/cm^3으로 철 7.8g/cm^3과 비교했을때 매우 작다.

알루미늄의 또다른 특징은 굉장히 비싸다는건데 생각해보면 지각 구성원소가 오시알페 카나크마 O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg로 나름 3번째로 높은 비중이고 금속원소중엔 가장 큰 비율을 차지한다. 그러면, 흔해빠졌단 소리인데 이게 비쌀이유가 있나? → 알루미늄 원자는 반응성이 높아 이를 광석에서 분리해 가공하기까지의 비용이 크게 발생한다. 희소성이 아닌, 금속 자체의 민감도(?) 이슈로 인해 후처리 공정 비용이 높은것이다.

 

알루미늄의 분류

알루미늄을 분류할때 숫자를 붙여서 분류하는것을 흔히 봤을것이다(ex. Al6061, Al7075...). 네 자리 숫자로 분류한것은 '가공용 알루미늄' 이라는 대 분류에 속한 소 분류이다. 알루미늄은 크게 가공용 알루미늄 / 주물용 알루미늄 으로 분류되고 그중 가공용 알루미늄을 합금원소와 열처리 여부에 따라 Al 10~70계열 네자리 숫자로 분류한것이다.

 

가공용 알루미늄의 분류이다. 여기서 '열처리 가능 여부'가 의미하는것은 무엇일까? → 열처리 공정을 거치게되면 금속의 강도와 경도가 크게 증가한다. 해당 계열의 알루미늄은 다른 계열에 비해 고강도 재료로 사용될 수 있다. 

다만, 다른 계열도 '열처리'가 불가할뿐, 냉간 압출 등 냉간가공은 가능하다. 가공경화를 발생시켜 강도, 경도를 높일 수 있다.

 

Al 10계열은 합금이 아닌 99%이상 순수 알루미늄이다. 합금도 아니고, 열처리도 안되다보니 다른 계열에 비해 강도 경도가 현저히 떨어진다. 주로 빛 반사판, 가정용 장식품 등 적은 강도가 요구되는 제품에 사용된다.

Al 20계열은 구리합금이며 열처리가 가능해 강도 경도가 매우 높다. 대표적인 예시로는 두랄루민(duralumin, Al2017), 초두랄루민 (Super duralumin, Al 2024)이 있다.

Al 30계열은 망간 합금이며 비 열처리 알루미늄이다. 강도가 낮지만 그로인해 성형성이 우수하다는 장점이 있다. Al 3003은 전 세계 제조업에서 가장 흔히 사용되는 합금중 하나이다.

Al 40계열은 규소 합금이며 비 열처리 알루미늄이다. 열 팽창률이 낮아 고온에서도 준수한 기계적 성질을 갖는다.

Al 50계열은 마그네슘 합금이며 비 열처리 알루미늄이다. 내식성이 뛰어나며 특히 마그네슘 때문에 바닷물에서 부식이 잘 되지않아 해양관련 제품에도 많이 사용된다. 

Al 60계열은 마그네슘, 규소 합금에 열처리가 가능한 알루미늄이다. 비강도, 비강성이 매우좋으며 동시에 가공성까지 준수하다. 대표적인 예시론 Al6061, Al6063이 있다. 6061이 강도와 경도가 더 우수하나 6063은 가소성, 내부식성이 우수하다. 60부터는 많이 비싸진다. 

Al 70계열은 아연, 마그네슘 합금에 열처리가 가능한 알루미늄이다. 앞선 계열중 강도가 가장 높다.(다른 알루미늄 계열에 비해 절삭이 어려우나 철, 티타늄 등 다른금속재에 비해 절삭성이 매우 좋다)Al 7075의 경우 SUS의 약 30% 질량임에도 강도, 경도에는 큰 차이가 없어 산업현장에서 수요가 높고 매우 비싸다. Tempering을 거친 7075-T6은 일반 7075에 비해 항복강도가 3배 이상 크다. 60, 70계열은 구조물 뼈대, 비행기 동체, 인공위성 Body 재료로 사용된다. 

 

정리) 알루미늄의 가장 큰 특징은 가볍다는것