금속재료로서의 알루미늄(Al)은 지각중에서 규소(Si) 다음으로 다량으로 존재하는 금속이다. 자연상태에서는 금속으로 존재하지 않고, 많은 다른 구성형태로 지표면에 존재하는데, 그것이 보크사이트라고 불리우는 물질이다. 여기서 보크사이트라는 물질이 무엇인지 알아볼 필요가 있다. 알루미늄이 어떻게 만들어지며, 무엇을 만들때 사용하는지 알아보려고 한다.
알루미늄(Al,Aluminium)
보크사이트란?
Bauxite, 鐵礬石 (철반석)이라고 한다.
1861년, 프랑스에서 명명되었다. 수산화알루미늄 광물, 특히 깁사이트(gibbsite), 뵈마이트(boehmite), 다이아스포어(diaspore)가 풍부하게 들어 있는 암석을 말한다. 보통 알루미늄은 광물의 골격에 들어있는데다가 이온화 경향이 알칼리 토금속에 다음갈 정도로 매우 높아서 분리해내기가 무척 어렵기 때문에 보통 이걸 높은 온도로 녹인 상태에서 전기분해로 정제해서 얻는다. 이 가공법이 알려지기 전에는 알루미늄은 금보다도 비쌌을 정도였다.(이러한 이유로 나폴레옹이 자기가 쓰는 식기는 알루미늄으로 사용했다고 하는 일화가 유명하다.
이미지출처:https://namu.wiki/w/%EB%B3%B4%ED%81%AC%EC%82%AC%EC%9D%B4%ED%8A%B8
가나, 카자흐스탄, 기니, 시에라리온, 이란, 호주, 자메이카, 브라질 등에 많이 매장되어 있다. 북한에도 상당량이 매장되어 있는 것으로 추정된다. 이 중 기니, 호주가 대부분을 차지한다. 그러나 생산량은 호주가 가장 많은 부분을 차지한다.
정장석이 온대지방에서 화학적 풍화를 받으면 고령토가 되고, 고령토가 열대지방에서 풍화를 더 받으면 보크사이트가 된다.
알루미늄의 생산방법
알루미늄은 보크사이트라는 원석을 산화알루미늄(Al2O3:알루미나)로 분리한후, 알루미나를 950~1000°C의 온도에서 빙정석(Na3AlF6) 전기적 환원 작업을 하는데 이때 규소(Si), 철(Fe)등의 불순물을 5~10% 넣는다.
사진:보크사이트 원석
이미지출처:https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B3%B4%ED%81%AC%EC%82%AC%EC%9D%B4%ED%8A%B8
순도 99.9%에 가까운 알루미늄은 국소 용해기술 또는 전기적 공법에 의해 정제 된다.
순 알루미늄은 비교적 약해 건설부분에 약간 사용되며, 일반적으로는 구리(Cu), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 규소(Si), 아연(Zn) 으로 합금되어 있다.
최초의 알루미늄 합금인 “Al-Cu”는 합금계의 석출경화 또는 시효현상을 발견한 1910년경에 개발되었다. 이 합금은 초기 항공산업에서 무게3배의 탄소강과 비슷한 강도를 가진다.
2차 세계대전에서 알루미늄 합금이 항공구조물 부품과 판재에 사용되면서 개발이 활성화 되었으며, GTAW(GasTungstenArcWelding),GMAW(GasMetalArcWelding)의 Inert Gas를 사용한 용접방법의 개발로 발전되었다. 이러한 용접접합 기법은 Fluxless 용접법에 의하여 높은 용접강도를 가능하게 하였다.
알루미늄의 성질
·알루미늄의 비중은 2.7로 공업용 금속재료중 마그네슘(Mg) 다음으로 가벼운 금속이다.
·알루미늄은 주조가 용이하며, 다른금속과 합금이 잘되며, 상온및 고온가공이 용이하다는 장점이 있다. 또한 내식성이 강하고 전기및 열의 양전도체로 알루미늄의 사용빈도가 갈수록 증가하고 있는 금속재료라고 할수있다.
·알루미늄의 사용용도는 조립식 알루미늄 주택과 빌딩, 수술용 칼, 가정용 그릇, 벌크 운반, 배, 항공기 구조물, 철도차량, 파이프라인, 압력용기에 사용된다.
·판,선,박(foil) 중에서 포일의 형태의 산업용 포장지, 장갑차 차체와 포탑, 정찰차량에 이상적인 재료이며, 봉과 파이프는 전기재료, 콘덴서 관 등에 사용된다.
·분말은 녹의 방지, 도료, 폭약제조 등에 쓰인다.
알루미늄의 특성(Chracteristics of alumimium)
알루미늄은 면심방격자(FCC)구조로 물리적 성질은 아래의 표와가 같다.
알루미늄은 공기와 깨끗한 물에는 산화하지만, 산화속도가 매우느리며, 표면의 산화생성물(Al2o3)은 안정하기 때문에
산화는 더이상 내부로 진행하지 않는 특성을 가지고 있다.
| 특성 | 알루미늄(Al) | 철(Fe) |
| 결정격자 | 면심입방격자(FCC) | 체심입방격자(BCC) |
| 용해열1/g | 397 | 272 |
| 산화물 | Al2O3 | FeO,FeO2O3, Fe3O4 |
| 산화물 용융점°C | 2050 | 1400,1455,1600 |
| 전기전도도 mΩmm2 | 36 | 8.3 |
| 열팽창계수 | 24×10-6 | 12×10-6 |
표. 실온에서 알루미늄과 철의 비교표
화학적으로 대부분의 유기산에는 안정하나, 포름산(formic acid), 수산(oxalic acid)에는 침식되는 성질이 있다.
무기산에는 침식되나 묽은 황산및 80% 이상의 진한 초산(nitric acid), 황산암모니아에는 내구성이 크다.
중성분위기에서는 안정하나 염소(Cl)를 함유한 것에는 부식된다.
맑은물에는 잘 부식되지 않고 맥주, 우유, 주류(Liquors)에도 안정한 성질을 가지고 있다.
기타 Cl(염소), Br(브롬), I(아이오딘), Hg(수은)및 그 염류에 심하게 침식되거나 황(S)에 대해서는 매우 강한 성질을 띄고 있다.
또한 비중이 작아도 강도가 높아 “중량/강도” 의 비율에서 가볍고도 강한 재료 특성을 갖는다.
여러형상의단면을 가진 자재를 Press Machine에 의한 성형작업으로 제품등을 쉽게 제작을 할수있고, 가공성도 우수하다고 할수있다.
내구성 특히 해수분위기에서 부식저항이 높은 합금을 얻을 수 있다.
극저온에서도 기계적 성질이 저하하지 않는 성질을 가지고 있는 금속이 알루미늄이라고 할수있다.
GTAW(GasTungstenArcWelding),GMAW(GasMetalArcWelding) 작업으로 대부분의 알루미늄및 합금의 용접접합 작업이 용이하다.
사진:GTAW 작업
이미지 출처:https://m.cafe.daum.net/lloydwelding/3Pts/368?listURI=%2Flloydwelding%2F3Pt
금속과 산화물의 용융점이 상이하다. 철강 산화물은 대부분 금속 용융점 아래 또는 유사한 온도에서 녹는다.
그러나 산화알루미늄 용융점이 2060°C이다. 이것은 알루미늄의 용융온도가 660°C인데 1400°C정도 높기 때문에 표면은 녹지 않고
안에 산화안된 순수한 알루미늄이 용융되기 때문에, 산화피막 제거가 필요하다.
산화막의 제거 방법으로는 와이어 브러쉬, 샌드그라이인더와 같이 기계적인 방법으로 할수있다.
이렇게 산화막을 제거해야 알루미늄의 접합이 불량및 결함없이 수월하게 용접 작업이 가능하다.
또한 Brazing, Gas Welding 작업시에는 플럭스(Flux)사용하여 산화막을 제거하여 용접 접합 작업을 해야 한다.
알루미늄에서 산화막은 높은 결집력과 내구력 및 자기 회복력이 있기 때문에 알루미늄 합금에 우수한 부식 저항으로 부가적인
표면처리 없이 노출된 곳에 사용한다.
알루미늄의 용접성
알루미늄은 철강보다 용융온도가 낮고, 비열이 2배, 용접잠열이1.5배 크기 때문에 국부적을 열원을 가열하기 어렵고, 전기 전도도 또한 철강의 4배가량 높기 때문에
용융을 하기 위해서는 다량의 열을 급속하게 공급을 하여야 하는데, 저항열을 이용하는 스폿용접(Spot Welding)에는 불리한 조건을 가진다고 할 수 있다.
알루미늄은 온도상승에 따른 색상의 변화가 철강과 달리 없기 때문에, 용융지의 구분이 어려워 용융 발생의 판단이 어렵기 때문에,
알루미늄 용접작업시 용접작업자의 재훈련이 필요하다고 할수있다.
알루미늄은 비자성체 이기 때문에 철강재료에서 나타나는 아크쏠림은 발생하지는 않는다.
알루미늄의 기계적성질
탄성계수(modulus of elasticity)는 철강의 3배이기 때문에 충격에너지를 많이 흡수하는 하중에서 3배의 휨을 갖는다.
온도저하에 따른 노치인성의 손실로 부터 견딜 수 있는 것을 뜻하는 면심입방격자(FCC) 구조로 대부분의 합금에서 온도저하에 따라 인장강도와
연성의 향상을 보여 준다.
5083계열 알루미늄 합금에서는 -200°C 구간에서 연신이 60% 증가 하는 것이 그 예이다.
이 격자구조는 딥드로잉, 압출제품 생산에 대해 성형성이 우수하여 많이 쓰이고 있다.
철강은 가열과 냉각과 같은 특수온도에서 상변화 또는 격자변형에 견디는 반면, 알루미늄은 격자구조가 변하지 않는 성질을 가지고 있다.
알루미늄의 합금에서는 용접열에 의해 열영향부( HAZ:Heat Affected Zone)가 연화되어 용접부의 강도가 열처리를 하지 않는 연질 모재와 비슷한 크기를 갖는다.
참고문헌: 알루미늄 용접의 현장기술 정점진,오동수 16-18