알루미늄의 특징과 알루미늄의 절삭가공

알루미늄의 특징과 알루미늄의 절삭가공

금속 절삭 가공에 사용되는 재료 중에서 알루미늄 재료는 가볍고 비강도가 높은 무해˙ 무취 등의 특징이 있습니다.

알루미늄의 특징

특징	설명
가볍다	알루미늄의 비중은 2.7. 철(7.8)이나 구리(8.9)와 비교하면 약 1/3입니다. 접동·회전 부품의 작동 효율이나 연비의 향상, 전기 소비량의 저감 등, 경량화에 의한 효율화를 기대할 수 있습니다.
녹이 잘 슬지 않는다	알루미늄은 공기 중에서 치밀하고 안정적인 산화막을 생성하며, 이 코팅은 부식을 자연스럽게 방지합니다.
가공하기 쉽다	알루미늄은 소성 가공이 쉽고 다양한 형상으로 성형할 수 있습니다. 종이처럼 얇은 호일이나 복잡한 형상의 압출형재를 용이하게 제조할 수 있습니다. 절삭가공성도 뛰어나 금형 등의 공구류나 기계부품에 사용되고 있습니다. 정밀 가공 방향의 재료입니다.
자기를 띠지 않는다	알루미늄은 비자 성체로 자기장에 영향을받지 않습니다. 전자 의료 기기·메카트로닉스 기기, 리니어 모터카 등의 부품에 활용되고 있습니다.
열전도율이 높음	알루미늄의 열전도율은 철의 약 3배, 전도도는 구리의 약 2배입니다. 열을 잘 전달한다는 성질에서 냉난방 장치, 엔진 부품, 각종 열교환기, 방열핀, 히트싱크 등에 사용되고 있습니다.
저렴한 비용	금속 전체에서 본 유통량이 많아, 재고 리스크도 낮기 때문에 입수하기 쉽고 저렴한 재료입니다.
고강도	알루미늄은 비강도(단위 중량당 강도)가 높기 때문에 수송기기나 건축물 등의 구조재료로 많이 사용되고 있습니다. 마그네슘, 망간, 구리, 규소, 아연 등을 첨가하여 합금화, 열처리를 실시하여 강도를 높입니다.
전도성이 높음	알루미늄의 전기 전도율은 구리의 약 60%이지만 비중이 약 1/3이기 때문에 같은 중량의 구리에 비해 2배의 전류를 통과합니다.
저온에서 사용할 수 있다	알루미늄은 액체 질소(-196℃)나 액체 산소(-183℃)의 극저온 하에서도 취성 파괴가 없고 인성이 큰 특징이 있습니다. 저온 플랜트나 LNG의 탱크재, 최근에는 우주 개발이나, 극저온의 초전도 관련이라고 하는 최첨단 분야에서도 이 특성이 활약하고 있습니다.
빛과 열을 반사	잘 연마한 알루미늄은, 적외선이나 자외선, 전자파, 각종 열선을 잘 반사해, 순도가 높은 알루미늄일수록 이 성질은 우수합니다. 난방 기구, 조명 기구의 반사판에 사용되는 그 외, 경면 가공을 실시해 이 특성을 한층 높여, 일렉트로닉스 제품에도 많이 사용되고 있습니다.
독성 없음	알루미늄은 무해·무취로 위생적입니다. 어떠한 화학작용으로 금속이 용출되거나 화합물이 되어도, 중금속처럼 인체를 해치거나 토양을 이끌거나 하지 않습니다. 이 특성을 살려 식품이나 의약품 포장, 음료통, 의료기기 및 가정용기물 등에서 널리 사용되고 있습니다.
주조하기 쉽다	알루미늄은 융점이 낮은, 녹은 상태에서도 표면이 산화 피막으로 덮여 가스를 흡수하기 어려운, 온수 흐름이 좋다는 성질을 가지고 있습니다. 이 때문에 얇은 주물이나 복잡한 형상의 주물을 만들 수 있습니다. 알루미늄 주조품은 피스톤, 실린더 블록, 휠 등의 자동차 부품, 각종 산업 기계 부품 등 폭넓은 분야에서 사용되고 있습니다.
접합하기 쉽다	용접, 납땜, 납땜, 전기 저항 용접, 리벳 접합, 접착 등 다양한 방법으로 쉽게 신뢰할 수 있는 피팅을 얻을 수 있습니다. 설계와 시공의 합리화를 실현합니다.
재사용하기 쉽다	알루미늄은 다른 금속에 비해 부식하기 어렵고 융점이 낮기 때문에 사용 후 알루미늄 제품을 녹여 재생할 수 있습니다. 재생지금을 만드는데 필요한 에너지는 신지금에 비해 불과 3%만으로 경제적인 재료라고 할 수 있습니다.

알루미늄합금의 번호별 특징

금속 절삭 가공에 사용하는 알루미늄재는 순도 100%인 것은 드물지 않습니다. 알루미늄이라는 금속에는 가벼운 성질이 있지만, 한편으로는 부드러운 성질이 있습니다. 그러한 성질 때문에 알루미늄 100%의 가공품은, 부품의 강도로서는 불충분할 가능성이 있습니다. 일반적으로 사용되는 부품의 알루미늄은 알루미늄 본래의 단점을 극복하기 위해 망간이나 구리, 규소, 아연, 마그네슘, 니켈 등의 다른 금속이 첨가되어 있습니다. 덧붙인 금속의 성질을 맞추는 것으로, 강도를 올리면서 알루미늄의 장점인 가벼움을 겸비한 재료가 됩니다. 그리고 추가하는 금속에 따라 각각 다른 특징을 가지고 있습니다. 화합하는 금속·양에 따라 번호라고 하는 「A」와 4자리의 숫자로 분류됩니다.

두랄루민

알루미늄 합금 중에서 A2017, A2024, A7075에는 각각 두랄루민 , 초두랄루민 , 초초두랄루민 이라고 불립니다. 두랄루민은 영어 표기로 "Duralumin"입니다. 1903년 독일 중서부 듀렌에서 알프레이트 빌름에 의해 우연히 발견되었다. 두랄루민은 지명의 듀렌(Duren)과 알루미늄(Aluminium)의 합성어라고 합니다. 그 밖에도 라틴어로 '딱딱한'을 의미하는 durus와 알루미늄(Aluminium)의 합성어라는 설도 있습니다.

번호	화합물	특징
1000번계	없음	순 알루미늄을 가리킵니다. 순도가 99퍼센트 이상이기 때문에, 도전성이나 열전도성, 내식성이 뛰어납니다. 단 강도가 낮고, 끈기가 있기 때문에 가공시에 절분이 얽혀 버리면 상처나 오목의 원인이 되므로, 가공시는 주의가 필요한 재료입니다. 대표적인 합금 번호는 A1100, A1070, A1050 등이 있습니다. 덧붙여서 아래 두 자리는 순도를 나타내고, A1100은 99% 이상, A1070은 99.7% 이상, A1050은 99.5% 이상의 순도로 정해져 있습니다.
2000번계	Cu	강도있는 두랄루민 이라고 불리는 번호가 있습니다. 강도를 향상시키기 위해 Cu(구리)가 많이 함유되어 있습니다. Cu(구리)가 산화하기 쉬운 성질을 가지므로 내식성은 떨어집니다. 그래서 부식의 우려가 있는 경우는 통상 알루마이트를 실시합니다. 또 알루미늄의 용접은 어렵다고 여겨지고 있습니다만, 특히 이 번호는 용접 균열이 발생하기 쉽기 때문에 적합하지 않습니다. 대표적인 합금 번호로 A2017(두랄루민)과 A2024(초두랄루민) 등이 있습니다.
3000번계	Mn	순알루미늄에 망간(Mn)을 가함으로써 순알루미늄의 특성인 내식성을 유지하면서 강도를 올린 것입니다. 통상 절삭재료로서는 별로 이용할 수 없습니다만, 알루미늄캔의 재질이 이번번의 것입니다. 대표적인 합금 번호는 A3003입니다.
4000번계	Si	실리콘(Si)이 첨가된 알루미늄 합금입니다. 실리콘의 특성으로서 열에 강하고, 내마모성이 향상되기 때문에 그 성질이 부여되고 있습니다. 또한 열팽창이 적기 때문에 단조 피스톤에 사용되는 것 같습니다. 대표적인 합금 번호는 A4032 등이 있지만, 절삭 가공에는 별로 사용하지 않습니다.
5000번계	Mg	마그네슘(Mg)이 첨가됨으로써 내식성과 강도를 향상시킨 합금으로 가공성도 좋기 때문에 알루미늄의 절삭재료로서는 가장 메이저인 재료입니다. 대표적인 합금 번호는 일반적으로 판재의 A5052, 환재의 A5056이나 마그네슘 함유율을 올린 고강도의 A5083 등이 있습니다. 보충입니다만, A5052는 판 두께 소재의 정밀도가 비교적 좋기 때문에, 두께에 공차가 없으면 통상 그대로 4면 마무리로 사용할 수 있습니다. (2000번계, 6000번계, 7000번계의 판 두께 소재 공차에 대해서는 주의가 필요합니다.)
6000번계	Mg Si	실리콘(Si), 마그네슘(Mg)이 함유되어 있어, 5000번계의 알루미늄보다 강도나 내식성이 우수합니다. 대표적인 합금 번호인 A6061은 구리(Cu)가 첨가되어 있어 열처리에 의한 경화로 SS400 정도의 강도가 있습니다. 또 A6063은 압출 성형성이 좋기 때문에, 앵글이나 채널 등의 형재가 널리 나돌고 있습니다.
7000번계	Zn Mg	아연(Zn)과 마그네슘(Mg)이 첨가되어 있어 열처리에 의한 경화로 알루미늄 합금 중에서 가장 강도가 있는 것입니다. 대표적인 A7075는 초고속 두랄루민 이라고 불리며, 항공기 부품과 차량, 스포츠 용품에도 사용됩니다. 덧붙여 상기 이외 주조법이라고 하는 방법으로 제작된 재료도 있습니다. 다이캐스트용 ADC 등이 자주 사용되는 재료입니다.

 

두랄루민 7075 등산스틱

두랄루민의 특성

두랄루민은 그 성분에 Cu(구리)나 Mg(마그네슘)을 함유하고 있습니다. 구리가 3.5~4.5%, 마그네슘이 0.40~0.8% 포함되어 있습니다. 구리를 포함한 알루미늄은 강도가 높습니다. 두랄루민은 강도가 우수한 열처리형 알루미늄 합금으로 알려져 있습니다. 환경에 따라서는 강도면에서는 철강 재료에 필적합니다.
그 밖에도, 절삭 가공성에 있어서도 우수하다고 전해지고 있습니다. 그러나, 용융 용접성이나 내식성에 있어서는, 다른 알루미늄에 비해 약간 떨어진다고 하는 단점이 있습니다. 그 때문에, 부식 환경에서 사용하는 용도로 두랄루민을 사용할 때에는 충분한 부식 처리가 필요합니다.

슈퍼 두랄루민

A2024는 초듀랄민이라고 불리며, 두랄루민(A2017)보다 구리와 마그네슘의 양이 많아지고 있습니다.
함유량으로는 구리가 3.8~4.9%, 마그네슘이 1.2~1.8%입니다. 구리의 비율이 늘어난 만큼, 듀랄루민보다 더욱 강도가 높고, 절삭 가공성도 마찬가지로 뛰어난 알루미늄 합금 입니다. 그러나 두랄루민과 마찬가지로 강도 대신 내식성이 약간 낮은 재질이 됩니다. 내식성이 낮은 것을 보완하는 합판으로 표면에 순알루미늄계의 A1230을 합쳐 내식성을 개선한 A2024PC라는 합판이 있습니다.

초두랄루민

A7075는 초듀랄루민이라고도 불리며, 알루미늄 합금 중에서도 톱 클래스의 강도를 가지는 재질의 하나 입니다.
이것은 1936년에 일본의 스미토모 금속 공업 주식회사에서 개발 완성한 재질로 알려져 있습니다.
전쟁중, 전투기의 기능을 더욱 향상시켜 달라는 일본 해군으로부터의 요청을 받아, 개발하는 가운데 발견한 재질이라고 합니다. 구리가 1.2~2.0%, 마그네슘이 2.1~2.9%, 아연이 5.1~6.1% 포함되어 있습니다.

두랄루민과는 달리 아연이 포함되어 있지만 개발에 사용된 합금의 이름에서 유래하여 초고속 두랄루민이라고 불립니다. 슈퍼 두랄루민의 개발에는 세 가지 합금이 사용되었습니다. D합금(Duralumin)・S합금(Sander합금)・E합금(Zinc Duralumin)이라는 합금입니다. 이 이니셜에서 ESD 합금이라 명명되었고, 거기에서 Extra Super Duralumin=초연한 두랄루민이라는 이름이 되었다는 것입니다.

초초 두랄루민은 강재 수준의 강도·경도가 있습니다만, 그 반면, 응력 부식 균열이나 내식성에 대해서는 사용 환경에 주의할 필요가 있습니다. 이러한 약점을 보완한 합판으로 표면에 A7072를 붙여 내식성을 개선한 것이 있습니다. 슈퍼 두랄루민은 항공기의 구조재나 철도 차량, 스키용품 등의 스포츠 용품에 사용되고 있습니다.
규격으로서 유통하고 있는 것은 환봉재와 판재만이 해당됩니다.

두랄루민, 슈퍼 두랄루민, 초 두랄루민과 기타 금속의 경도 비교

두랄루민계의 경도는 다음과 같으며 경도의 척도는 브리넬 경도를 이용하고 있습니다.

• 두랄루민(A2017)의 경도 105HB
• 초듀랄민(A2024)의 경도 120HB
• 슈퍼 두랄루민 경도 160HB

사용 빈도가 높은 A5052의 경도는 65HB로, 다른 알루미늄재와 비교하면 경도는 높아지고 있습니다.
강재의 SKD11의 경도는 58~63HB, 스테인리스재의 SUS303・SUS304는 187HB입니다. 경도만으로 보면 스테인리스 쪽이 높습니다만, 비중으로 보면 스테인리스가 7.93에 대해, 듀랄루민, 초듀랄루민, 슈퍼 듀랄루민은 2.79, 2.78, 2.80입니다. 비강도로 보면 두랄루민이 뛰어나 가볍고 또한 강한 재질이라는 것을 알 수 있습니다.

부품은 강도 조건을 만족시킬 수 있으면, 가볍게 하는 것으로 장치의 운반 비용이나, 사용 효율을 올릴 수 있습니다.
기계장치 등의 부품을 제작할 때 강도를 원하지만 가능한 한 가볍게 하고 싶을 때는 두랄루민(A2017), 초두랄민(A2024), 초초 두랄루민(A7075)을 검토하는 것입니다.

부품의 경량화에 적합

알루미늄은 예를 들면 철이나 스테인리스(SUS)와 같은 재료와 비교했을 경우 1/3 이하의 중량입니다. 가볍기 때문에 그만큼 가공하기 쉽고, 운송 비용을 낮출 수도 있습니다. 금속을 재료로 사용하는 장치는 대형화하면 거기에 따라 중량도 커집니다. 그 때문에 중량에 따라서는 2층 이상의 건물에 설치하는 것이 곤란해지는 경우도 있습니다.
그러한 경우에 알루미늄을 이용해 경량화하는 것은 큰 장점이 있습니다. 알루미늄은 단위 중량당 강도(비강도)가 높고, 두랄루민이라고 불리는 2000번계 7000번계는 특히 이 성질이 우수합니다.

반송기나 생산 라인 등의 산업용 자동화 설비에는 알루미늄 프로파일 프레임이 많이 사용됩니다. 6000번계의 알루미늄은 압출 성형성이 좋기 때문에, 앵글이나 채널, 파이프나 프레임의 규격도 많아, 산업 로봇의 생산으로 활약하고 있습니다. 또한 로봇의 팔, 손 부분에도 강하고 가벼운 알루미늄을 사용하는 경우가 많습니다. 강하고 가벼운 성질이라고 하면 마그네슘 합금이나 티타늄 합금도 있습니다만, 이쪽은 가공성이 좋은 재료라고는 할 수 없고, 절삭 가공에 있어서는 난삭재에 해당합니다. 난삭재라면 정밀도를 낼 수 없는 경우나 낼 수 ​​있다 해도 가공에 시간이 많이 걸려, 그만큼 비용 증가가 됩니다.

5000번계를 대표로 한 알루미늄 합금은 가공성이 좋기 때문에, 복잡한 경우나, 정밀도가 필요한 가공에 적합합니다. 또한 알루미늄은 절삭 가공뿐만 아니라 굽힘 가공이나 용접 가공 등의 가공도 가능합니다.
다만 다른 금속에 비하면 흠집이 발생하기 쉽기 때문에, 절삭 가공시에는 특히 주의가 필요합니다. 외관을 중시하는 경우는 쇼트 블라스트를 실시해 표면을 균일하게 하는 방법도 있습니다.

부식에 강함

보통 금속은 시간이 경과함에 따라 부식이 진행되어 가는 것이 당연합니다만, 알루미늄은 산화 피막으로 덮여 있기 때문에, 철과 같이 쉽게 녹슬어버리는 현상은 없습니다. 자연의 산화 피막은 매우 얇은 막이므로, 환경에 따라서는 부식할 가능성도 있기 때문에, 인공적으로 산화 피막을 생성하는 알루마이트 처리를 하는 일도 있습니다. 2000번계나 7000번계의 두랄루민은 다른 알루미늄에 비해 내식성이 떨어지기 때문에 주의가 필요합니다. 반도체 산업의 산업 로봇 부품에는 부식이 치명적이기 때문에 알루마이트 처리를 한 알루미늄을 사용하는 경우가 많습니다.

알루미늄 가공상의 주의점

알루미늄은 가공성이 매우 좋은 금속이지만, 반드시 주의해야 하는 점도 있습니다. 이는 가공 중에 공구에 용접될 수 있다는 점입니다. 알루미늄은 열전도율이 높아 가공중에 열에 영향을 받지 않을 것으로 생각되지만, 가공품의 형상이나 알루미늄의 종류에 따라서는 용착이 일어납니다.

용접이 가공에 미치는 영향은, 공구에 알루미늄이 녹아 부착되어 버리는 것으로 공구에 구성인선이라고 불리는 공구를 만들어 버리는 것 입니다. 그렇게 되면 가공 정밀도가 나오지 않게 되고, 나사 절단 탭이나 가는 공구는 이 현상에 의해 부러져 가공품 안에 묻혀 버리는 일도 있습니다. 이 용착을 방지하기 위해서는 크게 다음과 같은 두 가지의 대책이 있습니다.

첫 번째는 에어 블로우(Air Blow)에 의한 칩(Chip)의 배제입니다.
앞에서 기술한 바와 같이, 열전도율이 높은 알루미늄은 건식 환경하에서의 가공이 많아집니다만, 가공에 의해 발생한 칩을 자주 제거함으로써 용착현상은 어느 정도 방지할 수 있습니다. 

두 번째 조치는 절삭유를 사용하는 것입니다.
알루미늄은 철이나 구리에 비해 비중이 1/3 정도로 가볍고, 칩도 절삭유에 비교적 뜨기 쉽기 때문에 용착의 리스크를 감소시킬 수 있습니다. 또 탭 가공시에도 통상은 스테인리스나 내열강 등의 난삭재에 이용하는 태핑 페이스트를 이용하는 것으로 공구의 부하를 억제할 수 있습니다.

<알루미늄 정리>

알루미늄은 비중이 철의 1/3 정도로 가볍고, 단위 중량당 강도도 높은 금속이다.
다른 금속을 화합물로 성질을 부여할 수 있으며, 그 비율에 따라 번호로 분류되고 있다.
산화 피막에 의해 덮여 있기 때문에 부식에 강한 특징이 있다.
또한 알루마이트라고 하는 표면 처리에 의해 이 피막을 강화할 수도 있다.
A2017, A2024, A7075는 각각 듀랄루민, 슈퍼 듀랄루민, 초슈퍼 듀랄루민이라고 불리며, 알루미늄 중에서도 특히 강도가 높은 종류이다.