[강좌] 알루미늄 - 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.

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 뒷 페이지에서 자세히 소개하겠다.)

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.

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.