알루미늄 합금 분류: 가공 알루미늄, 주조 알루미늄, 단조 알루미늄

알루미늄 합금은 일반적으로 제조 방법과 재료 특성에 따라 가공 알루미늄 합금, 주조 알루미늄 합금, 단조 알루미늄 합금의 세 가지 주요 범주로 분류할 수 있다.

각 범주에는 기계적 특성, 가공성, 내식성, 표면 처리 성능 및 대표적인 용도가 서로 다른 여러 합금 시리즈가 포함되어 있습니다.

단조 알루미늄 합금

가공 알루미늄 합금은 압연, 압출, 인발 또는 단조 등의 공정을 통해 시트, 판, 봉, 튜브, 압출재 등의 제품으로 기계적으로 가공된 알루미늄 합금을 말합니다.

주요 합금 원소에 따라, 가공용 알루미늄 합금은 일반적으로 1xxx~7xxx 계열로 분류됩니다.

1xxx 시리즈: 상업용 순수 알루미늄

1xxx 시리즈는 주로 상업용 순알루미늄으로 구성됩니다. 이 합금들은 일반적으로 알루미늄 함량이 매우 높으며, 뛰어난 내식성, 높은 전기 전도도, 높은 열전도도, 비교적 낮은 기계적 강도, 그리고 뛰어난 연성과 성형성을 특징으로 합니다.

그러나 이 소재는 연성이 있어 가공 시 절삭 공구에 달라붙는 경향이 있기 때문에, 선반 가공 및 밀링 가공 성능은 상대적으로 떨어집니다. 변형 경화를 통해 강도를 어느 정도 높일 수 있습니다.

대표적인 용도로는 화학 공정 장비, 반사판, 열교환기, 전기 전도체, 커패시터, 포장용 호일, 건축 자재 및 장식용 트림 등이 있습니다.

표면 에칭 및 마감 특성

상업용 순수 알루미늄은 일반적으로 뛰어난 표면 식각 성능을 보입니다. 산성 또는 알칼리성 식각 시스템을 사용해도 양질의 표면 질감을 얻을 수 있습니다.

표면 거칠기가 더 높은 수준이 요구되는 용도의 경우, 2단계 산-알칼리 에칭 공정을 통해 매우 균일한 표면 질감을 얻을 수 있습니다.

일반적으로 사용되는 소재 중 한국산 알루미늄은 대체로 미세한 질감을 나타내는 반면, 대만 및 중국산 소재는 미세하고 균일한 브러시 마감을 보여주는 경우가 많습니다. 일본 스미토모에서 공급하는 고광택 순수 알루미늄은 에칭 처리 후 뚜렷하게 보이는 브러시 질감을 나타낼 수 있습니다. 일부 독일산 순수 알루미늄 소재 역시 이와 유사한 브러시 마감을 구현할 수 있습니다.

상업용 순수 알루미늄은 화학 연마 및 전해 연마에도 잘 반응하며, 양극 산화 처리 후 매우 밝은 표면을 얻을 수 있습니다.

2xxx 계열: 알루미늄-구리 합금

구리는 2xxx계 알루미늄 합금의 주 합금 원소입니다. 마그네슘과 망간도 보조 합금 원소로 흔히 첨가됩니다.

대표적인 합금 체계로는 알루미늄-구리-마그네슘, 알루미늄-구리-마그네슘-망간, 알루미늄-구리-마그네슘-철-니켈, 그리고 알루미늄-구리-망간 등이 있다.

이 합금들은 열처리가 가능하며 높은 강도로 잘 알려져 있어, 흔히 고강도 알루미늄 합금이나 듀랄루민 계열 합금이라고 불립니다.

이 소재는 내열성이 뛰어나고 가공성이 매우 우수합니다. 그러나 내식성은 상대적으로 떨어지며, 일부 등급의 경우 입계 부식에 취약할 수 있습니다.

이러한 이유로, 2xxx 계열 알루미늄 시트는 내식성을 높이기 위해 고순도 알루미늄이나 6xxx 계열 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금으로 피복되는 경우가 많습니다.

대표적인 적용 분야

2xxx 계열 알루미늄 합금은 특히 높은 강중량비가 요구되는 부품에 적합합니다.

대표적인 적용 분야로는 트럭 및 항공기 휠 부품, 트럭 서스펜션 부품, 항공기 동체 외판, 그리고 약 150°C(302°F)까지의 온도에서도 우수한 강도를 유지해야 하는 구조용 부품 등이 있습니다.

합금 2219를 제외하고, 이 계열의 대부분의 합금은 용접성이 제한적입니다. 그러나 많은 2xxx 계열 합금은 뛰어난 가공성을 갖추고 있습니다.

2024 알루미늄 및 표면 처리

이 시리즈에서 가장 널리 사용되는 등급 중 하나는 2024 알루미늄으로, 이는 중국의 2A12 등급과 대략 일치합니다.

1단계 알칼리성 텍스처 에칭을 거친 2024 알루미늄 시트는 뛰어난 광택과 표면 균일성을 유지하면서 Ra 1.5 이상의 표면 거칠기를 얻을 수 있습니다.

2xxx 계열 알루미늄의 양극 산화 처리 성능은 상대적으로 떨어집니다. 양극 산화막이 두꺼워지면 표면에 노란빛을 띠는 현상이 나타날 수 있어, 이러한 합금은 밝은 색상의 장식용 염색에는 적합하지 않습니다.

항공우주 분야의 경우, 탈지 후 알칼리 에칭을 하는 것은 일반적으로 권장되지 않습니다. 패시브 표면층을 제거할 때는 산 처리를 하는 것이 바람직합니다.

일반적으로 붕산-황산 양극 산화 처리 또는 크롬산 양극 산화 처리를 사용하며, 그 후 희석된 크롬산으로 밀봉 처리를 합니다. 밝은 색상의 염색이 필요한 경우에는 변형된 붕산-황산 양극 산화 공정을 사용할 수 있습니다.

3xxx 계열: 알루미늄-망간 합금

망간은 3xxx 계열의 주요 합금 원소입니다.

이러한 합금은 일반적으로 열처리가 불가능하지만, 강도는 1xxx 계열 알루미늄보다 약 20% 더 높습니다.

알루미늄에는 일반적으로 약 1.5% 정도의 제한된 양의 망간만 효과적으로 첨가할 수 있기 때문에, 망간은 비교적 소수의 상용 합금에서만 주된 합금 원소로 사용된다.

이 시리즈에서 가장 널리 사용되는 3가지 범용 합금은 3003, 3004, 3105입니다. 중국의 3A21 등급은 3003과 대략적으로 동등합니다.

3xxx 계열 알루미늄 합금은 1xxx 계열 합금보다 더 높은 기계적 강도를 제공하면서도 우수한 연성과 용접성을 유지합니다. 이 합금의 내식성은 상업용 순수 알루미늄보다 약간 낮은 수준에 불과합니다.

대표적인 적용 분야

대표적인 용도로는 음료 캔, 조리기구, 열교환기, 저장 탱크, 차양, 가구, 고속도로 표지판, 지붕 패널, 커튼월 패널 등이 있습니다.

텍스처 에칭 특성

텍스처 에칭 처리 후, 3xxx 계열 알루미늄은 대개 무광의 모래 같은 질감과 브러시 처리된 선형 질감이 혼합된 모습을 보입니다.

1단계 알칼리성 텍스처 에칭은 우수한 장식 효과를 제공하며, 스크린 인쇄 전 명판 및 패널의 전처리 공정으로 널리 사용됩니다.

표면 거칠기가 더 높은 수준이 요구되는 용도의 경우, 2단계 산-알칼리 에칭 공정을 통해 대개 모래 같은 질감과 브러시 처리된 질감을 모두 얻을 수 있습니다.

그러나 제조사마다 가공 방법이 다르기 때문에, 일부 유사한 알루미늄 합금의 경우 산-알칼리 에칭 후 주로 모래 질감의 외관을 띠고, 브러시 질감은 거의 보이지 않을 수 있습니다.

4xxx 계열: 알루미늄-규소 합금

실리콘은 4xxx 계열의 주요 합금 원소이며, 알루미늄에 비교적 다량으로 첨가될 수 있으며, 때로는 약 12%에 달하기도 합니다.

이러한 합금은 일반적으로 열처리가 불가능하며, 알루미늄 제품의 용접선이나 브레이징 충전재로 널리 사용됩니다.

양극 산화 처리 과정에서 4xxx 계열 합금은 일반적으로 짙은 회색에서 숯검정색에 이르는 표면 색상을 띠게 됩니다.

합금 4032는 열팽창 계수가 낮고 내마모성이 뛰어나, 단조 엔진 피스톤이나 고온에서 치수 안정성이 요구되는 기타 부품에 특히 적합합니다.

5xxx 계열: 알루미늄-마그네슘 합금

마그네슘은 5xxx 계열의 주요 합금 원소입니다.

마그네슘을 주 합금 원소로 단독으로 또는 망간과 함께 사용할 경우, 중강도에서 고강도에 이르는 변형 경화성 합금이 만들어집니다.

이 합금들은 용접성이 우수하고, 피로 저항성이 뛰어나며, 특히 해양 환경에서 뛰어난 내식성을 지닙니다.

5xxx 계열 알루미늄 합금은 열처리가 불가능하지만, 일반적으로 1xxx 및 3xxx 계열 합금보다 강도가 더 높습니다.

대표적인 적용 분야

대표적인 용도로는 건축 자재, 건축 및 장식용 트림, 캔 및 캔 뚜껑, 가전제품, 가로등 부품, 해양 구조물, 극저온 연료 탱크, 크레인 부품, 자동차 구조 부품 등이 있습니다.

표면 처리 성능

5xxx 계열 알루미늄의 텍스처 에칭 특성은 3xxx 계열 합금의 특성과 유사합니다.

또한 양극 산화 처리 성능도 우수합니다. 특정 등급의 제품은 적절한 표면 처리를 거치면 밝고 거울처럼 반짝이는 마감을 얻을 수 있어, 자동차 장식 부품에 적합합니다.

6xxx 계열: 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금

6xxx 계열 알루미늄 합금은 마그네슘과 실리콘을 주 합금 원소로 함유하고 있으며, 열처리가 가능합니다.

이 합금들은 중간 정도의 강도를 지니고 있지만, 일반적으로 대부분의 2xxx 및 7xxx 계열 합금보다 강도가 낮습니다.

6xxx 계열의 주요 장점 중 하나는 성형성, 용접성, 가공성, 내식성 및 기계적 강도가 균형 있게 조화를 이루고 있다는 점입니다.

대표적인 적용 분야

대표적인 용도로는 건축 자재, 자전거 프레임, 운송 장비, 교량 난간, 용접 구조물, 기계 부품 및 압출 알루미늄 프로파일 등이 있습니다.

6061, 6063 및 6463 알루미늄

이 시리즈에서 가장 널리 사용되는 합금은 6061과 6063입니다.

6061 알루미늄은 우수한 강도, 가공성, 내식성 및 다목적 성능을 갖추고 있어 기계 부품 및 구조용 부품에 널리 사용됩니다.

6063 알루미늄은 뛰어난 압출 성능과 매력적인 양극 산화 처리된 외관 덕분에 압출 프로파일 및 건축용 부품에 널리 사용됩니다.

6463 합금은 압출 성형된 자동차 트림, 디지털 기기 프레임, TV 베젤 등의 용도로 개발되었습니다. 양극 산화 처리 후, 6463은 밝고 거울처럼 반짝이는 표면 마감을 얻을 수 있습니다.

그러나 알루미늄 내의 철 불순물 함량은 가능한 한 낮게 유지해야 합니다. 철 함량이 과도하면 양극 산화 처리 후 표면 광택이 현저히 떨어질 수 있습니다.

7xxx 계열: 알루미늄-아연 합금

아연은 7xxx 계열 알루미늄 합금의 주요 합금 원소로, 일반적으로 약 1%에서 8% 사이의 함량을 보입니다.

이러한 합금은 열처리가 가능하며, 중간 수준에서 극도로 높은 수준에 이르는 강도를 제공할 수 있습니다.

7xxx 계열 알루미늄 합금은 뛰어난 강중량비 덕분에 높은 응력이 가해지는 구조 부품에 널리 사용됩니다.

대표적인 적용 분야로는 항공기 구조 부품, 이동식 장비, 항공우주 부품, 고강도 기계 부품 및 높은 하중과 응력을 받는 기타 용도가 있습니다.

주조 알루미늄 합금

주조용 알루미늄 합금은 주조 공정을 통해 부품을 제조하기 위해 특별히 설계되었습니다.

주요 합금 원소에 따라, 주조용 알루미늄 합금은 일반적으로 다음 네 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다:

• 알루미늄-실리콘 합금
• 알루미늄-구리 합금
• 알루미늄-마그네슘 합금
• 알루미늄-아연 합금

주조 알루미늄 합금 명칭

국가마다 사용하는 합금 명명 체계가 다릅니다.

중국에서는 주조용 알루미늄 합금을 일반적으로 다음 문자를 사용하여 표기합니다. ZL 그 뒤에 세 자리 숫자가 이어집니다.

첫 번째 숫자는 주요 합금 계통을 나타냅니다:

• 1 – 알루미늄-실리콘 합금
• 2 – 알루미늄-구리 합금
• 3 – 알루미늄-마그네슘 합금
• 4 – 알루미늄-아연 합금

두 번째와 세 번째 숫자는 해당 시리즈 내의 구체적인 합금을 나타냅니다.

주조 알루미늄 합금의 주요 특성

다양한 형태와 크기의 고품질 정밀 주물을 생산하기 위해, 알루미늄 주조 합금은 일반적으로 몇 가지 중요한 특성을 갖추고 있습니다.

• 유동성이 우수하여 용융 알루미늄이 좁은 틈새, 얇은 벽면 및 복잡한 금형 캐비티를 채울 수 있습니다.
• 다른 많은 금속에 비해 녹는점이 비교적 낮으면서도 대부분의 산업용 응용 분야에서 요구되는 조건을 충족합니다.
• 열전도율이 우수하여 용융 알루미늄의 열이 금형으로 빠르게 전달되어 주조 사이클이 비교적 짧아집니다.
• 용융 금속 내의 수소 및 기타 유해 가스는 적절한 용융물 처리를 통해 효과적으로 제어할 수 있습니다.
• 주조 과정에서 열균열 및 열파열 발생 경향이 낮다.
• 화학적 안정성이 우수하고 내식성이 뛰어납니다.
• 표면 결함이 발생할 가능성이 낮으며, 주조품은 일반적으로 표면 거칠기가 비교적 낮고 외관이 우수하며, 후속 표면 마감 처리에 적합합니다.

주조 알루미늄의 장점과 용도

주조용 알루미늄 합금은 뛰어난 주조 성능을 제공하며, 복잡한 형상의 부품을 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

또한 자재 절감, 제조 비용 절감, 생산 시간 단축, 추가 제조 장비에 대한 요구 사항 감소 등의 이점도 제공합니다.

그 결과, 주조 알루미늄 합금은 항공우주, 자동차, 기계 및 일반 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

대표적인 제품으로는 보, 가스 터빈 블레이드, 펌프 하우징, 브래킷, 휠, 흡입 립, 엔진 케이싱 등이 있습니다.

또한 자동차 실린더 헤드, 변속기 하우징, 피스톤, 계기판 하우징, 슈퍼차저 펌프 하우징 등을 제조하는 데에도 널리 사용됩니다.

단조 알루미늄 합금

단조용 알루미늄 합금은 고온에서 우수한 가소성과 성형성을 발휘하도록 설계되어 있어 단조 공정에 적합합니다.

많은 단조용 알루미늄 합금은 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금계를 기반으로 하며, 구리, 마그네슘, 실리콘을 주요 합금 원소로 포함할 수도 있다.

이 소재의 가장 큰 장점은 뛰어난 열간 성형성으로, 이를 통해 크고 복잡하며 고강도의 단조 부품을 제조할 수 있습니다.

알루미늄 단조품의 장점

특정 강철 부품을 알루미늄 합금으로 대체하면, 우수한 구조적 성능을 유지하면서 기계 제품의 전체 중량을 크게 줄일 수 있습니다.

알루미늄과 알루미늄 합금은 뛰어난 강중량비 덕분에 항공우주, 항공, 자동차 및 방위 관련 산업에서 필수적인 소재로 자리 잡았습니다.

예를 들어, 항공기에는 다량의 단조 알루미늄 부품이 사용됩니다.

알루미늄은 또한 건설, 자동차 제조, 포장 분야에서도 널리 사용되고 있으며, 이 세 분야는 현대 산업에서 알루미늄의 가장 중요한 응용 분야 중 세 가지로 자리 잡았다.

자동차 산업에서의 알루미늄 단조품

최근 몇 년간 자동차용 알루미늄 단조품 분야는 급속히 발전해 왔다.

지구 온난화, 에너지 부족, 더욱 엄격해진 연비 기준, 그리고 승차감과 주행 성능에 대한 소비자의 기대치 상승은 자동차 경량 구조의 개발을 가속화했다.

차량 중량을 약 10% 줄이면 연료 소비량을 약 6%에서 8%까지 줄일 수 있습니다.

현재 공개된 업계 자료에 따르면, 미국 내 단조 및 프레스 성형 자동차 부품에 사용되는 알루미늄 합금의 양은 약 36.3%에 달하는 반면, 유럽과 일본에서 생산되는 차량의 경우 알루미늄 사용량이 차량 총 중량의 15% 이상을 차지할 수 있다.

역사적으로 볼 때, 중국에서 생산된 차량에 사용되는 알루미늄 합금의 양은 상대적으로 적은 편이었다.

자동차 업계 전문가들은 차량 경량화 추세가 지속됨에 따라, 기존 강철 단조품 대신 알루미늄 합금 단조품이 점점 더 많이 사용될 것으로 전망하고 있다.

결론

알루미늄 합금 시리즈마다 강도, 내식성, 가공성, 용접성, 표면 처리 성능 및 제조 특성의 조합이 매우 다릅니다.

상업용 순수 1xxx 계열 알루미늄은 높은 전도성과 내식성이 요구되는 용도에 이상적이며, 2xxx 및 7xxx 계열 합금은 고강도 구조용 용도에 주로 사용됩니다.

3xxx 및 5xxx 계열 합금은 우수한 내식성과 성형성을 갖추고 있는 반면, 6xxx 계열 알루미늄은 강도, 가공성, 용접성, 양극 산화 처리 성능 및 비용 면에서 전반적으로 가장 뛰어난 조합 중 하나를 제공합니다.

주조 알루미늄 합금은 복잡한 형상을 효율적으로 제작하는 데 적합하며, 단조 알루미늄 합금은 강도와 경량화가 중요한 고하중 구조 부품에 특히 유용합니다.

올바른 알루미늄 합금을 선정할 때는 항상 요구되는 기계적 특성, 제조 공정, 표면 마감, 내식성, 작동 환경 및 완제품의 총 비용을 고려해야 합니다.