알루미늄의 기본 특성 - 물리적 성질, 기계적 성질

알루미늄 기본 특성

1. 물리적 성질

 

 

 알루미늄은 극저온에서도 우수한 인성을 유지하고 있어 저온 플랜트나 액체질소(-196℃), 액체산소(-183℃), LNG(-162℃) 저장용 탱크의 소재로 사용되고 있으며 우주산업, 생명공학, 극저온 분위기가 요구되는 최첨단 산업분야에서도 각광을 받고 있다. 이외에도 알루미늄은 적외선이나 자외선 등의 광선과 전자파를 잘 반사하는데 특히 고순도 알루미늄은 입사 에너지의 90% 이상을 반사하는 특성이 있다. 이 특성을 살려 난방기와 조명기구의 반사판, 우주복 등에 적용되고 있다. 알루미늄의 전기전도율은 구리의 약 60% 정도이지만, 비중이 약 3분의 1이기 때문에 동일한 무게의 구리와 비교하면 2배의 전류를 통과시킬 수 있다. 따라서 고전도성이 요구되는 각종 전선이나 반도체 또는 전자소자의 배선용 소재로서 이용되기도 한다. 또한 알루미늄은 비자성체로서 자장에 영향을 주지 않기 때문에 배의 자기 컴퍼스나 컴퓨터용 자기 디스크, 파라볼릭 안테나, 전자의료장비 등에 사용된다. 한편, 알루미늄은 산소와의 반응성이 매우 높은 활성 금속으로 대기 중에서 쉽게 산화되지만 알루미늄이 대기와 접촉하는 순간 알루미늄 표면에 얇고 치밀한 알루미나 산화피막을 형성시켜 내부의 산화를 방지한다. 이러한 산화 피막층은 양극산화법에 의하여 인공적으로 만들어 질 수도 있는데 양극산화법에 의한 보호 피막 형성에 의해 내식성과 내마모성을 크게 향상시킴으로써 알루미늄 소재의 활용 분야를 크게 확대할 수 있다. 순알루미늄의 기본적인 물리적 성질을 표1-1에 보이고 있으며, 고순도 알루미늄(99.996%Al)과 일반 순알루미늄(99.5%Al)은 물리적 성질에 약간의 차이를 나타내고 있다.

 

<표 1-1. 순알루미늄의 물리적 성질>

 

2. 기계적 성질

 알루미늄의 기계적 성질은 합금조성 및 순도, 가공량, 열처리 등에 따라 달라진다. 냉간 가공율이 증가함에 따라 가공경화에 의하여 강도는 상승하고 연성은 저하되며, 열처리에 의하여 연화된다. 합금원소를 첨가하면 고용강화 또는 석출경화에 의해 보다 경화된 알루미늄을 얻을 수 있다. 고용강화 알루미늄 합금의 경우 일반적으로 합금원소의 첨가량(고용량) 증가와 함께 강도가 증가한다. 이러한 성질은 알루미늄과 합금원소와의 원자반경의 차이에 의해 원자의 배열 구조가 왜곡되기 때문에 나타나는 현상이다. 한편, 석출경화의 경우에도 일반적으로 합금 원소의 첨가량이 증가할수록 강도 및 경도가 증가하는 데 주조 또는 열처리 시 형성되는 석출물이 강도 향상의 주 요인이다. 

 

 알루미늄은 무게가 가볍고 주조성과 소성가공성이 매우 좋은 재료로서 알려져 있을 뿐 아니라 친환경재료로서 재활용이 용이하고 다양한 표면처리를 통하여 내식/내마모성을 부여할 수 있는 구조적 특징을 가지고 있다. 그 외에 전도성이 우수하고 저온성, 비자기성 등 기능성을 요하는 경량재료로서도 많이 활용되고 있다.

◈ 경량성

알루미늄의 비중은 2.7g/cm3로 철(7.8g/cm3)이나 동(8.9g/cm3)과 비교하여 약 3분의 1에 불과하다. 따라서 알루미늄은 항공기, 자동차, 철도차량, 선박 컨테이너 등의 수송 분야에서 무거운 철강 소재를 대체함으로써 부품소재의 경량화를 달성하고 동시에 연비향상과 공해저감에 크게 기여할 수 있는 금속소재이다. 최근 들어 경량화에 의한 성능향상이 시대적 요구 사항으로 인식되면서 수송기기분야에서의 알루미늄 사용량은 급속히 증가하고 있는 추세이다. 또한 각종 기계의 고속회전 부품에 적용함으로써 작동효율을 높이거나 대형 장치에 적용함으로써 장치의 대형화에 의한 중량 증가를 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

 

◈ 가공성

알루미늄은 앞에서 언급한 바와 같이 면심입방체(FCC)의 결정구조를 가지고 있어 다른 금속에 비해 소성가공이 쉽고, 다양한 형상의 모양을 성형할 수 있다. 예를 들어 얇은 박이나 복잡한 형상의 압출 형재, 압연, 단조제품을 쉽게 제조할 수 있고 절삭 가공성이 뛰어나기 때문에 금형이나 정밀부품에 사용한다.

 

◈ 주조성

알루미늄은 철강 등 다른 금속에 비해 융점이 상대적으로 낮고 Si 첨가 등에 의해 용융 알루미늄합금의 유동성을 증가시킬 수 있기 때문에 복잡한 형상의 모양을 주물로 만드는 데 유리하다. 알루미늄 주물 주조품으로서 피스톤, 실린더 블록, 휠 등의 자동차 부품, 각종 산업 기계 부품 등에 폭 넓게 사용되고 있다.

 

◈ 표면처리성

재료 표면에 다양한 칼라, 높은 경도, 우수한 내식성을 목적으로 표면처리를 할 수 있으며 표면처리가 용이하다. 예로서 양극산화처리를 통하여 표면경도를 높일 수 있으며 다양하고 화려한 칼러를 표면에 부여함으로서 가볍고 고급스러운 재료로 만들 수 있다.

◈ 재활용성

알루미늄은 융점이 낮기 때문에 폐기된 Al 제품을 쉽게 녹일 수 있고 재생도 비교적 용이하다. 이와 같이 폐 Al을 재활용하여 알루미늄 소재를 제조할 경우 원석으로부터 알루미늄을 제련하는데 소요되는 에너지의 3% 정도만 소요되기 때문에 매우 경제적이다.

 

◈ 접합성

TIG/MIG 용접, 저항 용접, 마찰 접합, 초음파 접합, 납땜, 리벳 접합, 접착 등 다양한 방법을 사용하여 용이하게 고신뢰성의 접합이 가능하다.

 

◈ 내식성

알루미늄은 대기 중의 산소와 반응하여 표면에 얇고 치밀한 산화피막을 형성하여 부식을 방지한다.

 

◈ 비자기성

알루미늄은 자기를 띠는 일 없고, 자장에 영향을 주지 않기 때문에 선박용 자기 컴퍼스나 컴퓨터용 자기 디스크, 위성 안테나, 전자의료장비 등에 사용한다.

 

◈ 저온 특성

알루미늄은 극저온에서도 우수한 인성을 유지하므로 저온 플랜트나 액체질소(-196℃), 액체산소(-183℃), LNG(-162℃) 저장용 탱크의 소재로 사용되고 있으며 우주산업, 생명공학, 극저온 분위기가 요구되는 최첨단 산업분야에서도 각광을 받고 있다.

 

◈ 반사성

알루미늄은 적외선이나 자외선 등의 광선과 전자파를 잘 반사하는데 특히 고순도 알루미늄은 입사 에너지의 90% 이상을 반사하는 특성이 있다. 이 특성을 살려 난방기와 조명기구의 반사판, 우주복 등에 적용되고 있다.

 

◈ 전도성

알루미늄의 전기전도율은 구리의 약 60% 정도이지만 비중이 구리의 약 3분의 1에 불과하기 때문에 동일한 무게의 구리와 비교하면 2배의 전류를 통과시킬 수 있다. 따라서 고전도성이 요구되는 각종 전선이나 반도체 또는 전자소자의 배선용 소재로 이용되기도 한다.

◈ 무독성

알루미늄은 인체에 해가 없고 무취하여 위생적이며 토양을 오염시키지 않으므로 식품이나 의약품의 포장, 음료 캔, 의료기기 및 가정용 식기 등으로 폭넓게 사용되고 있다.

 

◈ 진공특성

알루미늄을 진공 장치에 적용할 경우 금속 자체로부터의 가스 방출율이 매우 낮아 고진공을 확보하는 데 유리하다. 따라서 진공 펌프나 배관, 고진공 반도체 장치, 이화학 실험 장치 등에 활용되고 있다.

 

아래글도 추천드립니다.

$  알루미늄의 종류와 특성

$  알루미늄의 역사

$  순알루미늄(1000계열)